Đang tải... (xem toàn văn)
Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ và nhu cầu ngày càng tăng trong mọi lĩnh vực, mạng cảm biến không dây đang nổi lên như một thành tựu khoa học cần thiết để đáp ứng nhu cầu của con người trong xã hội hiện đại. Mạng cảm biến không dây (WSN) được thiết kế để giúp chúng tôi không mất quá nhiều năng lượng, lực lượng lao động, tránh nguy hiểm và chúng mang lại hiệu quả cao khi làm việc. Các giao thức định tuyến khác nhau đang được sử dụng để tăng hiệu quả năng lượng của mạng, với hai loại giao thức riêng biệt, đồng nhất và không đồng nhất. Trong hai giao thức này, Stable Election Protocol SEP (Giao thức lựa chọn ổn định) là một trong những giao thức không đồng nhất hiệu quả nhất làm tăng tính ổn định của mạng. Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một cách tiếp cận thuật toán εFCM trong việc phân cụm giao thức SEP, giúp mạng WSN tiết kiệm năng lượng hơn. Kết quả mô phỏng cho thấy giao thức đề xuất SEPεFCM hoạt động tốt hơn giao thức SEP thông thường
Đề xuất cải thiện giao thức định tuyến SEP cách sử dụng phương tiện mờ không nhạy cảm mạng cảm biến khơng dây TĨM TẮT: Ngày nay, với phát triển nhanh chóng khoa học cơng nghệ nhu cầu ngày tăng lĩnh vực, mạng cảm biến không dây lên thành tựu khoa học cần thiết để đáp ứng nhu cầu người xã hội đại Mạng cảm biến không dây (WSN) thiết kế để giúp không nhiều lượng, lực lượng lao động, tránh nguy hiểm chúng mang lại hiệu cao làm việc Các giao thức định tuyến khác sử dụng để tăng hiệu lượng mạng, với hai loại giao thức riêng biệt, đồng không đồng Trong hai giao thức này, Stable Election Protocol SEP (Giao thức lựa chọn ổn định) giao thức không đồng hiệu làm tăng tính ổn định mạng Trong báo này, đề xuất cách tiếp cận thuật toán εFCM việc phân cụm giao thức SEP, giúp mạng WSN tiết kiệm lượng Kết mô cho thấy giao thức đề xuất SEP-εFCM hoạt động tốt giao thức SEP thơng thường TỪ KHĨA: Wireless sensor network (WSN), Insensitive Fuzzy C-Means, Stable Election Protocol(SEP), SEPInsensitive Fuzzy C-Means GIỚI THIỆU WSN mạng gồm nút cảm biến kết nối với Các nút cảm biến thiết kế nhỏ gọn chi phí thấp Các nút chịu trách nhiệm cảm nhận điều kiện môi trường xung quanh nhiệt độ, âm thanh, độ rung, độ ẩm, áp suất, v.v Các nút cảm biến gửi liệu cảm nhận chúng đến nút tổng hợp truyền liệu đến Chìm (thu phát) Như hiển thị Hình 1, Sink truyền qua internet vệ tinh tới người dùng Trong trình này, thấy CH (Head Cluster) khơng nghe tín hiệu từ nút mà cịn khơng tổng hợp liệu, sau truyền liệu Sink làm tiêu thụ nhiều lượng hơn, đó, định tuyến, định đường dẫn luồng liệu quan trọng Hình 1: Cấu trúc mạng cảm biến không dây Các giao thức định tuyến chia thành hai loại đồng không đồng Các giao thức định tuyến đồng nút có mức lượng với giao thức: LEACH, TEEN, HEED, PEGASIS, APTEEN Giao thức không đồng giao thức nút có mức lượng khác chia thành hai loại nút: nút Advance nút Bình thường Trong đó, nút Advance có nhiều lượng xác suất trở thành nút nhiều nút lại Các giao thức phổ biến loại giao thức SEP [1-5], DEEC, EDEEC Giao thức SEP xem xét mức lượng quy trình lựa chọn CH cải thiện tính ổn định quy trình phân cụm phân cấp cách sử dụng tham số đặc trưng tính khơng đồng nhất, thêm lượng nút trước nút bình thường Để kéo dài thời gian ổn định, SEP cố gắng trì mức tiêu thụ lượng hạn chế Các nút trước trở thành CH nhiều nút bình thường cấp nguồn nhiều nút bình thường Tuy nhiên, việc lựa chọn Head Cluster giao thức SEP có nhược điểm từ hai loại nút Advance nút nút Bình thường khơng linh hoạt, đó, nút từ xa chết trước Để giải vấn đề này, tiến hành nghiên cứu SEP đánh giá số thuật toán phân cụm tiếng K-Means, Fuzzy CMeans, Insensitive Fuzzy C-Means phân cụm WSN Dựa lý thuyết học tập, đề xuất phương pháp kết hợp thuật tốn C-Means khơng nhạy cảm vào giao thức SEP, giúp mạng WSN tiết kiệm lượng Ngoài ra, sử dụng Matlab để mô thuật toán mới, cho 140 nút mạng 500x500, với lượng không đồng nút để hiển thị ảnh hưởng không đồng nút mạng 10% nút có lượng Joule 90% nút có 0,5 lượng Joules Vị trí Sink thiết lập (250.250) độ dài tin nhắn 500byte Kết mô cho thấy giao thức SEP-εFCM đề xuất thực tốt giao thức SEP thông thường Bài viết bao gồm năm phần: Phần giới thiệu, Phần cho thấy công việc liên quan, đề xuất Phần 3, Kết mô Phần Phần cuối kết luận Một vài đặc trưng: Nếu LEACH Malik M.et al [6] đưa giao thức để định tuyến giá trị có hiệu cho mạng WSN, Smaragdakis giới thiệu giao thức định tuyến SEP mang tính cách mạng SEP giao thức định tuyến không đồng chứng minh hiệu giao thức LEACH Trong giao thức SEP, cảm biến nút chia thành hai loại nút: nút trước nút bình thường nút trước thiết kế để có mức lượng cao xác suất trở thành nút CH so với nút bình thường Như hiển thị Hình Hình 2: Biểu đồ luồng CH Lựa chọn giao thức SEP Trong đó: - - G’: Nút bình thường khơng trở thành CH T (S’): ngưỡng áp dụng cho nút bình thường G”: nút nâng cao không trở thành CH T (S”) ngưỡng áp dụng cho nút nâng cao Nếu thuật toán K-Means [5] thuật toán phân cụm xác định rõ, điều có nghĩa nút thuộc cụm, phù hợp để khám phá cụm mật độ cao bị cô lập phải xác định ranh giới Tuy nhiên, thực tế triển khai WSN, ranh giới cụm bị mờ, cụm chồng lấp, có nghĩa số nút thuộc cụm khác Vì vậy, trường hợp này, sử dụng thuật toán K-mean giới hạn chức mạng cảm biến không dây, thuật tốn Fuzzy c-means (FCM) [7-9] đời để giải vấn đề FCM thuật toán phân cụm mờ Dunn phát triển vào năm 1973 sau Bezděk cải tiến vào năm 1981 Kỹ thuật chia tập hợp đối tượng liệu vectơ X = {x1, , xn} R thành nhóm mờ dựa nhóm mờ việc tối thiểu hóa hàm mục tiêu để đo chất lượng phân vùng tìm tâm cụm cụm, chi phí phép đo không tương tự tối thiểu Đến năm 1998, Vapnick đề xuất sử dụng tham số gọi tham số nhạy với nhiễu để giải cụm mật độ cao chồng lấp, nút khơng gắn vào cụm mà thuộc cụm nhiều cụm khác Kể từ đó, εFCM [10-14] ln lựa chọn hàng đầu cho phân cụm mờ Trong viết này, kết mô cho thấy việc lựa chọn nút CH thuật toán εFCM làm giảm mức tiêu thụ lượng WSN ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN Giao thức không đồng SEP Smaragdakis chứng minh mang lại ổn định tuổi thọ dài giao thức hợp Tuy nhiên, chúng chứa số hạn chế, bao gồm phân cụm hạn chế cho cụm mật độ nút cao phân phối đa chiều phức tạp, phân cụm dẫn đến cụm khơng đồng (Ít cụm nút nhiều cụm nút) gây cân tải mạng Trong báo này, chúng tơi đề xuất sử dụng thuật tốn εFCM để chọn nút CH cho giao thức SEP việc chọn nút ban đầu ưu tiên cho nút nút để tận dụng nguồn lượng bổ sung làm CH Node để tạo thời gian ổn định cho mạng Sau nút trước tiêu thụ lượng cịn lại lượng với nút bình thường, εFCM tiến hành chọn nút CH tồn mạng, ưu tiên nút có nhiều lượng tạo nút CH Hàm mục tiêu thuật toán εFCM định nghĩa sau: Trong đó: , Ɛ mức khơng nhạy cảm với tiếng ồn Vapnick đề xuất vào năm 1998 sau: Các bước thuật toán εFCM: Đầu vào: Số cụm c tham số m, Ɛ cho hàm mục tiêu J; Đầu ra: Dữ liệu cụm cho hàm mục tiêu (1) đạt giá trị tối thiểu; Begin Nhập tham số c (1< c < n ), m (1