Nghiên cứu hiệu quả năng lượng mạng cảm biến không dây sử dụng giao thức LEACH

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - NGUYỄN NGỌC CHƯƠNG NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY SỬ DỤNG GIAO THỨC LEACH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2020 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - NGUYỄN NGỌC CHƯƠNG NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY SỬ DỤNG GIAO THỨC LEACH 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 NGUYỄN CHIẾN TRINH HÀ NỘI - 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, ngày 15 tháng 05 năm 2020 Tác giả luận văn Nguyễn Ngọc Chương ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin cảm ơn gia đình, người thân ln bên cạnh tơi nguồn động lực lớn lao để làm việc học tập Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Nguyễn Chiến Trinh - Phó khoa Viễn thơng - Học Viện cơng nghệ Bưu Viễn thơng, ln hướng dẫn tận tình q trình làm luận văn Đồng thời xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè đồng nghiệp động viên, hỗ trợ để tơi hồn thành luận văn Hà Nội, ngày 15 tháng 05 năm 2020 Nguyễn Ngọc Chương iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC BẢNG BIỂU viii DANH MỤC HÌNH VẼ .ix MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu tổng quan mạng cảm biến không dây 1.2 Các thiết bị mạng cảm biến không dây 1.2.1 Cấu tạo nút cảm biến 1.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 1.2.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây 10 1.3 Một số ứng dụng điển hình 12 1.4 Các vấn đề liên quan tới hiệu lượng 13 1.4.1 Tổng quan vấn đề lượng nút cảm biến 13 1.4.2 Sự tiêu thụ lượng 17 1.5 Kết luận chương 18 CHƯƠNG 2: GIAO THỨC PHÂN CỤM HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG LEACH 19 2.1 Giới thiệu chung 19 2.1.1 Vấn đề định tuyến mạng WSN 19 2.1.2 Giao thức LEACH biến thể 23 iv 2.2 Cơ chế hoạt động LEACH 26 2.3 Đặc trưng ứng dụng LEACH mạng 31 2.4 Kết luận chương 33 CHƯƠNG 3: CẢI THIỆN GIAO THỨC LEACH ĐỂ NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG 34 3.1 Tóm tắt hướng cải thiện giao thức LEACH 34 3.1.1 Giao thức LEACH-C( LEACH – CENTRALIZED) 35 3.1.2 Giao thức SEP(Stable Election Protocol) 37 3.2 Đánh giá đưa đề xuất cải thiện tham số ngưỡng chọn chủ cụm 38 3.2.1 Cấu hình cụm: 38 3.2.2 Cấu tạo mơ hình pha giao tiếp 42 3.2.3 Đường truyền đa chặng dựa tối ưu hóa thuật tốn đàn kiến 43 3.3 Mơ đánh giá hiệu đề xuất 46 3.3.1 Xây dựng mô tảng thử nghiệm 46 3.3.2 Sự ổn định số lượng đầu cụm 47 3.3.3 Thời gian hoạt động mạng 48 3.3.4 Số lượng gói tin nhận trạm gốc 50 3.3.5 Năng lượng dư 51 3.4 Kết luận chương 52 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 53 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 v DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh CSMA Carrier Sense Multiple Access CSMA/CD CTS Carrier Sense Multiple Access with ClearCollision to Send Detect DD Directed Diffusion DK-LEACH Dynamic K Value- Low energy adaptive clustering hierarchy ECLEACH Efficient Clustering LEACH EECS Energy Efficient Clustering Scheme Nghĩa tiếng Việt Đa truy nhập cảm biến sóng mang Đa truy nhập nhận biết sóng mang Xóa đểphát gửihiện xung đột Truyền tin trực tiếp Giao thức phân cấp cụm thích ứng với lượng thấp có giá trị K động Giao thức phân cấp cụm thích ứng với lượng thấp phân cụm hiệu Lược đồ phân cụm hiệu lượng Giao thức phân cấp cụm thích ứng với lượng thấp hiệu lượng EE-LEACH Energy Efficient Low energy adaptive clustering hierarchy GAF Geographic Adaptive Fidelity Định tuyến dựa vị trí GBR Gradient based routing Định tuyến dựa khoảng cách GEAR Geographic and Energy Aware Routing Giao thức định tuyến nhận thức lượng địa lý GEDIR Geographic Distance Routing Định tuyến khoảng cách địa lý Global Possition System Hệ thống định vị toàn cầu Global Orbiting Navigation Satellite System Hệ thống vệ tinh dẫn đường quỹ đạo toàn cầu Geographic and Energy-Aware Routing Hybrid Energy-Efficient Distributed Định tuyến dựa vị trí lượng Phân cụm phân tán hiệu lượng lai Hierarchical Power-Active Routing Giao thức định tuyến lượng động phân cấp Low energy adaptive clustering hierarchy Giao thức phân cấp cụm thích ứng với lượng thấp GPS GLONSS GEAR HEED HPAR LEACH vi Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt LEACH-C Low energy adaptive clustering hierarchy Centralized Giao thức phân cụm thích ứng với lượng thấp tập trung LEACH-T Low energy adaptive clustering hierarchy Tiers Giao thức phân cấp cụm thích ứng với lượng thấp cấp bậc Low energy adaptive clustering LEACH-VA hierarchy Voronoi Diagram Ant colony Giao thức phân cấp cụm thích ứng với lượng thấp dùng sơ đồ Voronoi thuật toán đàn kiến Message Authentication Code Giao thức điều khiển thâm nhập môi trường Minimum Energy Communication Network Giao thức mạng liên lạc lượng tối thiểu Message Integrity Code Mã toàn vẹn tin nhắn Path and Multi Speed Giao thức đa đường đa tốc độ QoS Quality of service Chất lượng dịch vụ RTS Request to Send Yêu cầu gửi SAR Sequential Assignment Routing Định tuyến gán số thứ tự SEP Stable Election Protocol Giao thức chọn ổn định SMP Sensor Management Protocol Giao thức quản lý cảm biến SPIN Sensor Protocol for Information via Negotiation Giao thức cảm biến thông tin qua thương lượng Sensor Query and Data Dissemination Protocol Giao thức truy vấn cảm biến phổ biến số liệu Impulse Radio Vô tuyến xung Task Assignment and Data Advertisement Protocol Giao thức phân nhiệm vụ quảng cáo số liệu Đa truy nhập phân chia theo thời gian MAC MECN MIC MMSPEED SQDDP IR TADAP TDMA TEEN Time division multiple access Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network protocol Giao thức hiệu lương cảm nhận mức ngưỡng vii Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt Power-efficient Gathering in Sensor Information Systems Thu thập lượng hiệu hệ thống thông tin cảm biến UCS Unequal Clustering Size Kích thước cụm khơng đồng UWB Ultrawideband Băng tần cực rộng WSN Wireless sensor network Mạng cảm biến không dây PEGASIS viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 Các dải tần dành cho ứng dụng ISM 15 42 3.2.2 Cấu tạo mơ hình pha giao tiếp Việc thành lập cụm đầu cần tiêu hao thời gian lượng vòng Thời gian giao tiếp nút nhiều thời gian thời gian thiết lập đầu cụm tối ưu mặt lượng Trong giai đoạn giao tiếp, thời gian q dài, khơng có lợi cho nút khác giao tiếp với trạm gốc Bởi lượng tiêu thụ cho đầu cụm tăng lên, nhanh chóng cạn kiệt Do đó, thời gian liên lạc vịng cần phải tính tốn để có giải pháp tối ưu Năng lượng pin nút phải đảm bảo để phục vụ đầu cụm lần đời nút thành viên để liên lạc bình thường vịng khác Tất nút có lượng dư đủ để thực lần nhiệm vụ đầu cụm n / k lần làm nút thành viên Năng lượng ban đầu nút cảm biến giả sử là: n n A2   n   4 E0  n f   lEr  lEDA  l r d     1   lEr  l r  r k k 2 k    k   (3.12) Trong nf số khung trung bình vịng, biểu thị bằng: nf  r E0 l  n n A2   n 4  Er  EDA   r d   (  1)   Er   f  k 2 k   k  k  (3.13) Thời gian truyền l lần biểu thị ts = l /Rb Tổng thời gian khung biểu thị tf = n l/kRb Thời gian thay đầu cụm biểu thị sau: tTotal  n f  t f  r E0 n kRb  n  n n A2  4  Er  EDA   r d   (  1)   Er   f  k 2 k   k  k  (3.14) 43 Thay tham số mô vào công thức Tốc độ truyền không dây liệu Rb Mb/s Thời gian quay thay đầu cụm thường 18 giây trạng thái lý tưởng 3.2.3 Đường truyền đa chặng dựa tối ưu hóa thuật tốn đàn kiến Thuật tốn kiến q trình kiến tìm kiếm thức ăn tự nhiên Vấn đề Giao thức lập lịch viễn thông (TSP) n đưa làm ví dụ Xác suất mà cụm chọn đường dẫn đưa là:     ij (t )  ij (t )   , j  allowed k    k Pij (t )     ij (t )  ij (t )   l  allowedk  0, j  allowed k (3.15) Trong τij đại diện cho nồng độ pheromone số phụ đường dẫn   (t )  tương ứng, ηij(t) yếu tố truyền cảm hứng để chọn đầu cụm (  ij  = /dij; dij = Eimit – Ecur); allowedk thống kê k qua nút, α yếu tố cảm hứng pheromone, β yếu tố cảm hứng kỳ vọng; α β cần xác định thí nghiệm Để chặn yếu tố cảm hứng bị chống ngợp thơng tin dư, chế bay pheromone đưa để cập nhật pheromone đường dẫn Cách cập nhật pheromone sau đường dẫn đưa là:  ij (t  n)  (1   )  ij (t )   ij (t, t  s) (3.16) m  ij (t , t  s)    ijk (t , t  s) (3.17) k 1 Hàm xác suất k chọn bước xác định pheromone Tuy nhiên, nồng độ pheromone lượng nút không khác giai đoạn đầu 44 trình thiết lập đường dẫn nên hiệu việc thiết lập đường dẫn tối ưu yếu Hàm truyền xác suất từ khoảng cách đưa sau: P  k ij ((d max  d j , goal )     )  jallowed( t ) ((d max  d j , goal )     ) (3.18) Trong ω, μ λ số, thường ω = 10, μ = 2, λ = allowed(t) đại diện cho k chưa truy cập, dmax mức tối đa tất dj,goal, dj,goal biểu thị độ dài từ nút j đến nút đích d j , goal  ( x j  xgoal )2  ( y j  ygoal ) (3.19) Ở trạng thái không khởi tạo, chọn nút bước cần loại bỏ nút truy cập thông qua bảng cấm kỵ Với mục đích cân tải lượng mạng, cơng thức chuyển trạng thái đưa là:   ij (t ) ij (t )  E j current , s  allowed k     ij (t ) ij (t )   E p current j k Pij (t )     l  allowed k   0, s j  allowed k (3.20) Trong Ej – currnet biểu thị lượng đầu cụm j Ep – current biểu thị lượng trung bình nút cảm biến allowedk = {0, 1, 2, , n - 1} tập hợp nút chọn Để đạt hội tụ tốt hơn, chức cảm hứng cải thiện tương ứng sau: ij (t )  dij  d j  goal (3.21) Cơng thức làm tăng tỷ lệ có nút kế tất nút Khi chọn nút tiếp theo, nút lân cận có mức tiêu thụ lượng thấp có nhiều khả 45 chọn Điều làm giảm khả cạn kiệt lượng nút riêng lẻ cách nhanh chóng tăng tốc tìm kiếm tốc độ nút tối ưu để kéo dài tuổi thọ mạng Viêc cập nhật pheromone giúp xác định tốc độ hội tụ Để làm cho thuật tốn có kết tốt hơn, nên kết hợp cập nhật toàn cầu cập nhật phần Thuật toán đưa là:  ij (t  n)  (1   )  ij (t )   ijgb ,(i, j )  T gb  ij  Q Lgb (3.22) (3.23) Trong ρ (0