Bố cục của Luận văn này gồm có 3 chương: Chương 1: Khái quát về mạng cảm biến không dây; Chương 2 - Giao thức phân cụm hiệu quả năng lượng LEACH; Chương 3 - Cải thiện giao thức LEACH để nâng cao hiệu năng mạng. Mời các bạn cùng tham khảo!
HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - NGUYỄN NGỌC CHƯƠNG NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY SỬ DỤNG GIAO THỨC LEACH TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI – 2020 Luận văn hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Chiến Trinh Phản biện 1: ………………………………………………………… Phản biện 2: ………………………….…………………………… Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông Vào lúc: ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông MỞ ĐẦU Mạng cảm biến không dây WSN đóng vai trị hạ tầng quan trọng giải pháp kết nối Internet of Things (IoT) cách mạng 4.0 Mạng cảm biến không dây thu thập thông tin từ môi trường, chuyển trung tâm xử lý để đưa định điều khiển phản hồi tự động có hỗ trợ công nghệ deep learning, AI hay tính tốn thơng minh Hạ tầng mạng cảm biến khơng dây quan trọng mục đích cung cấp kết nối truyền thông đảm bảo độ tin cậy, hiệu phù hợp với môi trường ứng dụng Tuy nhiên, mạng cảm biến không dây gặp phải số vấn đề trợ ngại hoạt động môi trường linh động Tuổi thọ mạng, thời gian sống thiết bị cảm biến toán quan tâm hàng đầu nhà nghiên cứu khai thác mạng Thời gian sống mạng phụ thuộc lớn bào cấu trúc mạng, thiết bị mạng hay giao thức truyền thông mạng Trong đó, giao thức LEACH (low energy adaptive clustering hierarchy) giao thức tiết kiệm lượng cho mạng cảm biến khơng dây đem lại tính hiệu định Tuy nhiên, tùy vào ứng dụng cụ thể, giao thức LEACH đem lại hiệu khác nhau, ứng dụng riêng biệt thực tiễn Vì vậy, việc nghiên cứu cải thiện giao thức LEACH đặt vấn đề nghiên cứu khía cạnh lý thuyết hay ứng dụng Trong nghiên cứu này, sinh viên mong muốn tìm kiếm giải pháp cải thiện LEACH để nâng cao hiệu mạng cảm biến khơng dây Trong q trình tìm hiểu nghiên cứu giao thức LEACH, em lựa chọn đề tài “Nghiên cứu hiệu lượng mạng cảm biến không dây sử dụng giao thức LEACH” để tìm hiểu, nghiên cứu luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật viễn thông Luận văn gồm chương trình bày vấn đề: Chương 1: Khái quát mạng cảm biến không dây Chương 2: Giao thức phân cụm hiệu lượng LEACH Chương 3: Cải thiện giao thức LEACH để nâng cao hiệu mạng 2 CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu tổng quan mạng cảm biến không dây Từ thập niên cuối kỷ 20, phát triển vũ bão ngành công nghệ kỹ thuật số thúc đẩy mạnh mẽ phát triển công nghệ viễn thông công nghệ thông tin, ứng dụng chúng vào mặt sống người Xuất phát từ thực tiễn đó, cơng nghệ mạng nghiên cứu phát triển, để đáp ứng việc trao đổi thơng tin cơng nghệ truyền thơng đa bước tùy biến khơng dây (Ad-hoc) Mạng Ad-hoc hoạt động độc lập kết nối với hạ tầng mạng cố định lại khu vực lân cận để tạo thành mạng thông tin khu vực tồn cầu Một mơ hình mạng mạng Ad-hoc mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network –WSN) Một mạng cảm biến không dây bao gồm tập cảm biến triển khai khu vực mục tiêu nhằm thu thập, tập trung liệu để đưa định tồn cục mơi trường tự nhiên Các thơng tin chuyển đến nút trung tâm gọi BS (Base Station) sóng vơ tuyến Từ liệu phân tích, xử lý người sử dụng để đưa định cho hệ thống Việc thiết kế mơ hình mạng cảm biến khơng dây chuẩn để đáp ứng hàng loạt ứng dụng thực tế việc vơ khó khăn phức tạp Do đó, với loại ứng dụng cụ thể phải thiết kế mạng cảm biến không dây phù hợp với qui mô ứng dụng Thiết kế mạng cảm biến không dây cần đáp ứng số điểm chung sau: - Khả tự tổ chức mạng nút mạng - Sử dụng truyền thông không dây truyền đa bước - Triển khai nhanh với số lượng lớn phạm vi rộng - Năng lượng, dung lượng nhớ khả xử lý - Khả quảng bá phạm vi hẹp, nhiễu lớn - Định tuyến đa bước Ngoài ưu điểm có được, mạng cảm biến khơng dây cịn đối mặt với nhiều vấn đề cần giải Điểm quan trọng then chốt nguồn lượng giới hạn nút mạng, điều làm ảnh hưởng tới thời gian sống nút mạng nói riêng tuổi thọ tồn mạng nói chung Đã có nhiều nghiên cứu tập trung vào giải pháp sử dụng hiệu lượng mạng cảm biến Một giải pháp hiệu nghiên cứu sử dụng giao thức định tuyến tối ưu cho loại mạng cụ thể để tìm đường nút mạng, qua giảm thiểu lượng sử dụng nút mạng nút lân cận nó, kéo dài đáng kể thời gian sống mối nút làm tăng tuổi thọ mạng [1] 1.2 Các thiết bị mạng cảm biến không dây Một mạng cảm biến không dây thường có thành phần sau: - Các nút cảm biến phân bố cách ngẫu nhiên, tập trung phân tán mơ hình mạng - Mạng lưới liên kết nút cảm biến lại với nhau: Hữu tuyến vô - Điểm trung tâm tập hợp liệu ( Clustering ) - Bộ phận xử lí liệu trung tâm 1.3 Một số ứng dụng điển hình tuyến Các mạng cảm biến bao gồm nhiều loại cảm biến khác cảm biến động đất, cảm biến từ trường ( với tốc độ lấy mẫu thấp), cảm biến thị giác, cảm biến hồng ngoại, cảm biến âm thanh, radar… mà quan sát vùng rộng lớn điều kiện xung quanh đa dạng bao gồm: Nhiệt độ, độ ẩm, chuyển động dòng xe, ánh sáng… Các nút cảm biến sử dụng để cảm biến liên tục phát kiện, số nhận dạng kiện, cảm biến vị trí điều khiển cục Chúng ta phân loại ứng dụng quân đội, mơi trường, sức khỏe, gia đình lĩnh vực thương mại khác Ứng dụng quân đội Ứng dụng môi trường Ứng dụng chăm sóc sức khỏe Tự động hố gia đình điện dân dụng Giám sát điều khiển công nghiệp 1.4 Các vấn đề liên quan tới hiệu lượng 1.4.1 Tổng quan vấn đề lượng nút cảm biến Do nút cảm biến thường có nguồn lượng giới hạn nên thời gian tồn mạng cảm biến phụ thuộc vào tuổi thọ nút mạng Mà lượng nút mạng bị hạn chế nguồn có kích cỡ giới hạn Tuy nhiên, tăng thời gian sống nút mạng toàn mạng mạng cách cung cấp lượng bổ xung cho nút mạng từ lượng thu môi trường Các nút cảm biến triển khai dày đặc gần trực tiếp bên mục tiêu để quan sát Vì thế, chúng thường hoạt động tự động vùng cách xa Chúng làm việc môi trường, kể môi trường khắc nghiệt nhất, liệt kê sau: Trong phần tiếp giáp Bên phận lớn máy móc Đáy biển Bên vùng thời tiết có diễn biến phức tạp Trên mặt biển Các vùng ô nhiễm sinh hóa Các vùng chiến Gắn vào xe cộ Trong đường ống hay dịng sơng theo dòng chảy 1.4.2 Sự tiêu thụ lượng Nhiệm vụ nút cảm biến trường cảm biến theo dõi kiện, xử lý nhanh số liệu cục truyền thông số liệu Công suất tiêu thụ ba thành phần chính: cảm biến, truyền thông xử lý số liệu 5 1.5 Kết luận chương Chương 1, giới thiệu tổng quan đặc điểm, kiến trúc mạng cảm biến, phần cứng, phần mềm nút ứng dụng nhiều lĩnh vực dân quân sự, y tế, môi trường với số vấn đề liên quan đến lượng mạng cảm biến Qua đó, ta thấy rõ tầm quan trọng tiềm ứng dụng rộng rãi mạng cảm biến phát triển sản xuất, quản lý vận hành xã hội, an ninh, quốc phong, thiết yếu việc nghiên cứu cải thiện mạng cảm biến Với phát triển nhanh chóng cơng nghệ hứa hẹn thêm nhiều ứng dụng mạng cảm biến CHƯƠNG 2: GIAO THỨC PHÂN CỤM HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG LEACH 2.1 Giới thiệu chung 2.1.1 Vấn đề định tuyến mạng WSN Định tuyến tiến trình xác định đường nguồn đích dựa yêu cầu truyền dẫn liệu Trong mạng WSN lớp mạng thực việc định tuyến cho liệu đầu vào Với mạng truyền thông đa bước nút nguồn khơng thể kết nối với đích cách trực tiếp mà phải có nút trung gian chuyển tiếp gói tin Trong bảng định tuyến nút gồm danh sách nút để gói tin gửi tới đích Các giao thức định tuyến làm nhiệm vụ xây dựng trì bảng định tuyến Hình Phân loại giao thức định tuyến WSN Các giao thức định tuyến mạng WSN phân loại hình 2.1 Các giao thức phân loại theo kiến trúc mạng có hoat động yêu cầu chặt chẽ Nó phân thành phân lớp nhỏ là: định tuyến phẳng, định tuyến phân cấp định tuyến dựa vị trí 2.1.2 Giao thức LEACH biến thể Giao thức LEACH đóng vai trị quan trọng đại diện tiêu biểu cho giao thức phân cấp LEACH giao thức định tuyến phân cụm thích nghi đề xuất Wendi B Heinzelman Giao thức LEACH(Low-energy adaptive clustering hierarchy) phát triển Hình 2 Các giao thức Leach cho mạng lưới LEACH bao gồm hình thành cụm phân tán, xử lý cục để giảm truyền thơng chung xoay vịng ngẫu nhiên việc chọn đầu cụm Các tính cho phép LEACH đạt yêu cầu mong muốn Leach cụm giao thức bao gồm tính sau đây: 2.2 Ngẫu nhiên, thích nghi, tự cấu hình thành cụm; Kiểm sốt liệu truyền nhận; Phương tiện truyền thông lượng thấp; Ứng dụng cụ thể xử lý liệu, tập hợp liệu Cơ chế hoạt động LEACH Hình Lưu đồ trình chọn nút đầu cụm Nguyên tắc hoạt động LEACH bắt đầu việc chọn ngẫu nhiên nút cảm biến làm đầu cụm (Cluster - Head), suy hao lượng lớn truyền thông với trạm gốc trải tới tất nút cảm biến mạng cảm biến Hoạt động LEACH chia thành hai giai đoạn giai đoạn thiết lập giai đoạn ổn định 2.3 Đặc trưng ứng dụng LEACH mạng Các mục tiêu LEACH là: tăng tuổi thọ mạng, giúp mạng tiêu thụ lượng thấp, giảm số lượng thông điệp truyền thông tập hợp liệu Leach gọi "Giao thức thích nghi lượng hiệu cho nhóm mạng cảm biến không dây ” Giá trị giao thức LEACH nút có xác suất để trở thành đầu cụm, làm cho phân bố lượng nút cân Dựa trình phân cụm ta nhận thấy giao thức LEACH thuật toán phân cụm với chi phí thấp khả tự thích ứng Các nút đầu cụm thu thập liệu nút cảm biến từ cụm, sau liệu xử lý gửi đến tiêu điểm, đầu cụm với cấu trúc phân lớp Rất dễ dàng để chọn đường dẫn truyền thông tin lưu thông tin định tuyến mà lưu lượng lớn thông tin hàm phức tạp [11] Ưu điểm: LEACH mặt chất giao thức định tuyến phân tán hồn chỉnh Do đó, khơng u cầu thơng tin tồn cầu Những ưu điểm LEACH bao gồm: - Khái niệm phân cụm sử dụng giao thức LEACH thực thi giao tiếp nút cảm biến BS, giúp tăng tuổi thọ mạng - Đầu cụm làm giảm liệu giao tiếp nội cụm cách áp dụng kỹ thuật tổng hợp liệu giúp giảm mức tiêu thụ lượng đáng kể - Phân bổ lịch trình TDMA theo đầu cụm cho nút thành viên cho phép nút thành viên chuyển sang chế độ ngủ Điều ngăn ngừa tranh chấp cụm tăng tuổi thọ pin nút cảm biến - Giao thức LEACH tạo hội cho nút cảm biến để trở thành đầu cụm lần trở thành nút thành viên nhiều lần suốt vòng đời Vịng quay ngẫu nhiên đầu giúp tăng tuổi thọ mạng Nhược điểm: Tuy nhiên, có số nhược điểm LEACH sau: - Trong vòng, đầu cụm chọn ngẫu nhiên xác suất trở thành đầu cụm cho nút cảm biến Sau hồn thành số vịng, xác suất nút cảm biến có lượng cao lượng thấp trở thành đầu cụm Nếu nút cảm biến có lượng chọn đầu cụm chết nhanh chóng Do đó, độ bền mạng bị ảnh hưởng tuổi thọ mạng sụt giảm - LEACH không đảm bảo vị trí số lượng đầu cụm vịng Sự hình thành cụm LEACH ngẫu nhiên dẫn đến phân phối không đồng cụm mạng Hơn nữa, số cụm, vị trí đầu cụm cụm số cụm, vị trí đầu cụm gần ranh giới cụm Kết là, giao tiếp cụm tinh dẫn đến tiêu tán lượng cao làm giảm hiệu suất tổng thể mạng cảm biến - LEACH theo dõi giao tiếp đơn bước đầu cụm trạm gốc Khi vùng cảm biến vượt khoảng cách định, đầu cụm xa trạm gốc tiêu tốn nhiều lượng so với đầu cụm gần tram gốc Điều dẫn đến tiêu tán lượng không đồng đều, cuối làm suy giảm tuổi thọ mạng cảm biến 2.4 Kết luận chương Chương giải thích cách rõ ràng giao thức LEACH, từ định nghĩa đến đặc điểm, cấu tạo, nguyên lí điểm yếu, điểm mạnh LEACH Đồng thời ta biết thêm biến thể giao thức LEACH để từ thấy tối ưu giao thức lí giao thức lại sử dụng rộng rãi mạng cảm biến không dây 10 CHƯƠNG 3: CẢI THIỆN GIAO THỨC LEACH ĐỂ NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG 3.1 Tóm tắt hướng cải thiện giao thức LEACH Với tính ứng dụng cao của, giao thức định tuyến phân cụm dựa giao thức LEACH nghiên cứu chuyên sâu nhiều người Các hướng nghiên cứu chia thành ba hướng chính: làm cho việc phân cụm đồng hơn, tối ưu hóa việc bầu chọn đầu cụm kiểm sốt số lượng đầu cụm Trong giao thức LEACH, chọn nút có lượng làm chủ cụm Nếu chọn nút có nhiều lượng dư làm yếu tố tham chiếu, hai giao thức LEACH-C Hiệu lượng LEACH (EE-LEACH) chọn đầu cụm nút có nhiều lượng dư làm yếu tố tham chiếu [13] Giao thức phân cụm LEACH dựa ba lớp (LEACH-T) chia mạng cảm biến thành ba lớp chọn đầu cụm lớp Giao thức lựa chọn ổn định (SEP) xác định xem nút cảm biến có chọn đầu cụm theo xác suất có trọng số hay không CL-LEACH chuyển tiếp liệu theo lượng nút để cân lượng mạng tốt hơn.Trong LEACH, nút có nhiều lượng dư chọn đầu cụm với tỷ lệ thành công cao cách chọn đầu cụm xác định (LEACH-DCHS) Việc chọn đầu cụm theo giao thức LEACH có tính ngẫu nhiên lớn số lượng đầu cụm dao động lớn Giao thức mạng cảm biến hiệu lượng ngưỡng (TEEN) kiểm soát số lượng đầu cụm tốt cách điều chỉnh kích thước ngưỡng Giao thức Cell-LEACH giống giao thức LEACH Cả V-LEACH TL-LEACH cân mức tiêu thụ lượng cụm cách chọn đầu cụm phụ LEACHMAC trì ổn định cụm cách kiểm sốt tính ngẫu nhiên thuật tốn phân cụm Nhiều hệ thống phân cấp thích ứng lượng thấp (LEACH) nghiên cứu, phát triển phân tích Nó kết hợp ý tưởng định tuyến truy cập phương tiện dựa cụm với tổng hợp liệu dành riêng cho ứng dụng để đạt hiệu suất tốt tuổi thọ hệ thống, độ trễ chất lượng cảm nhận ứng dụng 11 3.1.1 Giao thức LEACH-C( LEACH – CENTRALIZED) LEACH-C giao thức tập trung tất định lựa chọn đầu cụm, hình thành cụm phân phối thông tin vào mạng thực trạm gốc LEACH-C tạo cụm tuyệt vời cách phân tán đầu cụm toàn mạng cảm biến Do pha trạng thái ổn định thực hồn tồn trạm gốc, khơng có hao tổn cho nút cảm biến trình hình thành cụm Trong LEACH-C, quy trình hồn chỉnh quản lý đầu cụm, tiết kiệm lượng so với LEACH Đối với thông tin vị trí, nút u cầu có GPS thiết bị tốn tiêu thụ thêm lượng Mặc dù tập trung có khả mở rộng [14] 3.1.2 Giao thức SEP(Stable Election Protocol) Giao thức SEP đưa biện pháp thay cho LEACH Giao thức LEACH không nhận thức không đồng nút, theo nghĩa có cân lượng nút mạng, cảm biến chết nhanh bình thường chúng phải trì lượng đồng Giao thức SEP coi đối thủ nặng kí LEACH nhắc đến để so sánh với cải tiến giao thức LEACH nhắc đến phần sau 3.2 Đánh giá đưa đề xuất cải thiện tham số ngưỡng chọn chủ cụm Vấn đề ổn định số lượng đầu cụm giảm tải thừa mạng nhiều đầu cụm nghiên cứu đưa giải pháp Sơ đồ Voronoi sử dụng để giảm mức tiêu thụ truyền liệu giao tiếp cụm Đồng thời, ta tối ưu hóa giao thức định tuyến truyền đa chặng thuật toán đàn kiến để giảm mức tiêu thụ lượng truyền liệu đường dài Ta gọi phương pháp LEACH-VA 3.2.1 Cấu hình cụm Trong giao thức LEACH, giả sử nút có lượng ban đầu mạng Mỗi khoảng thời gian có trao đổi liệu Thơng thường, nút có xác suất chọn đầu cụm cao có lượng dư nhiều Ngồi ra, việc lựa chọn làm giảm khả nút ngừng hoạt động cạn kiệt lượng 12 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 3.3 Mơ đánh giá hiệu đề xuất 3.3.1 Xây dựng mơ tảng thử nghiệm Vùng mơ kích thước 100 m × 100 m với 100 nút cảm biến đặt ngẫu nhiên Các nút mô để thu thập thông số môi trường nhiệt độ độ ẩm Trạm sở đặt trung tâm khu vực vị trí (50, 50) trạm gốc nút cảm biến biểu thị dạng hình tam giác màu đỏ chấm đen tương ứng Hình 3.4a cho thấy 100 nút phân phối ngẫu nhiên khu vực Hình 3.4b cho thấy đầu cụm bầu Hình 3.4c cho thấy phân cụm Hình 3.4d cho thấy đường dẫn tối ưu Hình 3.4 Kết mơ tảng thử nghiệm 13 3.3.2 Sự ổn định số lượng đầu cụm Số lượng đầu cụm ảnh hưởng lớn đến hiệu lượng giao thức Nếu số lượng đầu cụm ít, khoảng cách truyền liệu nút cảm biến đến đầu cụm dài dẫn đến tiêu thụ thêm lượng Đồng thời, liệu liệu dư thừa nhận chuyển tiếp đầu cụm khiến tiêu thụ lượng mức Nếu số lượng đầu cụm lớn, tổng tải mạng tăng lên, tổng mức tiêu thụ lượng vòng mạng tăng lên, hiệu tổng hợp liệu mạng giảm tuổi thọ mạng khơng kéo dài Hình 3.5 cho thấy số lượng đầu cụm vòng giao thức LEACH, giao thức LEACH-C, giao thức SEP giao thức LEACH-VA Như thấy hình, biến động số lượng đầu cụm giao thức LEACH-VA đề xuất cho kết tốt vượt trội so với giao thức LEACH, LEACH-C SEP Trong trình chọn đầu cụm giao thức LEACH, lựa chọn đầu cụm số lượng đầu cụm tạo ngẫu nhiên dựa mơ hình hàm ngưỡng, có tính ngẫu nhiên lớn Từ hình vẽ, số lượng đầu cụm dao động phạm vi ≤ k ≤18 giao thức LEACH ≤ k ≤10 giao thức LEACH-VA Hình Đồ thị số đầu cụm ứng với số vịng Giao thức LEACH-VA tính tốn số lượng đầu cụm tối ưu dựa tổng nhu cầu lượng vịng mạng cảm biến khơng dây, làm giảm tính ngẫu nhiên số lượng đầu cụm Trọng mạng cảm biến khơng dây, có nút chết, chức ổn định số 14 lượng đầu cụm hiệu lực giao thức LEACH-VA Khi có số lượng lớn nút chết mạng cảm biến không dây, để cân mức tiêu thụ lượng mạng, tổng công suất cụm bị giảm 3.3.3 Thời gian hoạt động mạng Với phép đo tham số này, theo dõi vịng đời khu vực mạng cảm biến khơng dây Nó bao gồm hai phần, thời kỳ ổn định thời kỳ không ổn định Thời gian Nút chết (FND) Nút cuối chết (LND) thời kỳ khơng ổn định Nó chủ yếu sử dụng lĩnh vực giám sát môi trường địi hỏi diện tích lớn để đặt nút cảm biến Do khu vực phân phối rộng, nút diện tích lớn bị chết, số liệu thu thập khơng thể đánh giá xác tham số mơi trường Do đó, viết đánh giá tuổi thọ mạng theo FND để đánh giá liệu LEACH-VA có lợi rõ ràng so với ba giao thức hay khơng Hình 3.6 phân bố số lượng nút chết giao thức LEACH, LEACHC, SEP LEACH-VA qua vịng Từ hình vẽ, thấy vịng FND bốn giao thức 991, 1847, 1970 2257 So với LEACH, LEACH-VA tăng FND thêm 127%, tăng 22,2% so với LEACH-C tăng 14,5% % so với SEP Do đó, phương pháp LEACHVA đề xuất cải thiện đáng kể hiệu suất giai đoạn ổn định Hình Đồ thị số nút chết ứng với số vòng Sự cải thiện hiệu suất số lượng đầu cụm ổn định Ở giao thức LEACH, LEACH-C SEP, ta quan sát thấy đầu cụm dao động lớn, đặc biệt FND xuất 15 Giao thức LEACH-VA làm giảm dao động sau Thứ nhất, có giá trị số lượng đầu cụm ổn định, làm giảm xác suất đầu cụm bị tải, giảm tổn thất lượng đầu cụm Sau đó, giao thức phân cụm sử dụng nguyên lý hình học sơ đồ Voronoi để giảm mức tiêu thụ lượng giao tiếp với nội cụm LEACH-VA có hiệu kéo dài thời gian tồn mạng cảm biến tối ưu hóa việc sử dụng lượng nút đơn vị 3.3.4 Số lượng gói tin nhận trạm gốc Số lượng gói liệu mà trạm gốc nhận tham số để đánh giá tốc độ sử dụng lượng Phân phối lượng mạng cân bằng, trạm sở nhận nhiều gói tin Hình 3.7 quan sát số lượng gói tin nhận BS cho giao thức LEACH, LEACH-C, SEP LEACH-VA, độ dài gói 4000/bit Như thấy từ hình ảnh này, LEACH-VA tăng số lượng gói tin nhận BS lên 71,4% so với LEACH, 33,3% so với LEACH-C 14.3% so với SEP Hình 3.7 Đồ thị số gói tin nhận trạm gốc ứng với số vong Sự gia tăng đáng kể số lượng gói tin mà trạm sở nhận giảm xác suất cụm đầu cụm giảm hiệu tiêu thụ lượng truyền thông đàm nội cụm Dựa số lượng đầu cụm ổn định nguyên lý hình học sơ đồ Voronoi, cụm đồng hơn, mức tiêu thụ lượng cụm tốt việc sử dụng lượng nút đơn vị cải thiện Ngoài ra, báo, giao thức định tuyến truyền đa chặng 16 theo thuật toán tối ưu hóa đàn kiến sử dụng để chuyển tiếp gói liệu đầu cụm xa thơng qua cụm lân cận với trạm gốc để giảm mức tiêu thụ lượng so với việc truyền trực tiếp 3.3.5 Năng lượng dư Việc tiêu thụ lượng nút chia thành chủ yếu bốn phần: truyền liệu, nhận liệu, hợp liệu giao tiếp nội cụm Khi việc tiêu thụ lượng đồng hơn, nút sống lâu Kết luận rút mức tiêu thụ lượng giao thức LEACH-VA đồng giao thức LEACH, LEACH-C SEP (Hình 3.8) Sự thay đổi giá trị hàm ngưỡng gây thay đổi số lượng đầu cụm Một số lượng lớn đầu cụm tạo q trình lọc ngun nhân gây tiêu thụ lượng lọc Các giao thức LEACH-C SEP không xem xét mức tiêu thụ lượng truyền thông nội cụm Nhiều lượng sử dụng giao thức LEACH-VA để truyền liệu để tăng hiệu sử dụng lượng Hình 3.8 Đồ thị lượng dư ứng với số vòng Phương pháp đề xuất giúp giảm mức tiêu thụ lượng cụm giảm mức tiêu thụ lượng giao tiếp nội cụm Nó tối ưu hóa việc truyền liệu đường dẫn đa bước Năng lượng lại cải thiện giai đoạn thiết lập giai đoạn ổn định (Hình 3.8), giúp tiết kiệm lượng tuổi thọ mạng tăng lên 17 Từ thử nhiệm trên, ta thấy phương pháp đề xuất kiểm sốt số lượng đầu cụm dao động phạm vi ≤ k ≤10 So với giao thức lại, giao thức LEACH-VA tăng hiệu FND lên 1300 vòng, tuổi thọ mạng tăng 127% gói liệu nhận BS tăng 71,4% mức tiêu thụ lượng nút 2,0084 × 10-4 J Kết mô cho thấy giao thức LEACH-VA có hiệu lượng vượt trội so với LEACH truyền thống, LEACH-C hay SEP 3.4 Kết luận chương Để phân tích hướng cải thiện hiệu lượng giao thức LEACH, nội dung Chương đề cập đến hướng cải thiện giao thức LEACH, đồng thời tổng quát hóa hai giao thức LEACH-C SEP Qua số liệu ta thấy: (i) số lượng đầu cụm tối ưu tính cho mức tiêu thụ lượng chung vòng, (ii) sơ đồ Voronoi thành lập, (iii) thuật toán đàn kiến thêm vào giao thức để tối ưu hóa giao thức định tuyến đa bước Kết mô rõ giao thức LEACH-VA tối ưu so với LEACH-C SEP Mơ hình đề xuất cho lại kết xác nhanh chóng 18 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Mạng cảm biến không dây giải pháp kéo dài thời gian sống mạng năm gần trở lại trở thành tiêu điểm nghiên cứu phát triển lớn mạnh giải pháp Internet vạn vật Qua nhiều nghiên cứu ta thấy: giải pháp cân lượng phụ thuộc vào nhiều kiểu cấu hình ứng dụng mạng Tiếp cận định tuyến hiệu lượng mạng phẳng phân cụm khác đặc tính quan trọng giao thức định tuyến phải tối thiểu hóa lượng tiêu thụ từ kéo dài thời gian sống mạng Tiếp cận luận văn tốt nghiệp em cải thiện giao thức định tuyến LEACH để sử dụng lượng hiệu Trong Luận văn em hoàn thành mục tiêu nghiên cứu bao gồm nội dung sau: Chương 1: Trình bày kiến trúc ứng dụng mạng cảm biến không dây từ khía cạnh sơ đồ khối, mơ hình kết nối, ứng dụng vấn đề liên quan tới hiệu lượng Chương 2: Tóm tắt vấn đề định tuyến mạng WSN sâu nghiên cứu giao thức LEACH khía cạnh chế hoạt động, đặc trưng ứng dụng Chương 3: Chương tóm tắt giải pháp cải thiện LEACH, tìm kiếm giải vấn đề cải thiện giao thức LEACH cho sử dụng lượng hiệu quả, kéo dài thời gian sống mạng Mạng cảm biến không dây ngày dùng nhiều lĩnh vực môi trường, sức khỏe, quân đội, sinh học hay ứng dụng thương mại… với yêu cầu chất lượng dịch vụ khác Vì vấn đề định tuyến WSN thách thức giao thức định tuyến buộc phải đảm bảo đc cân yêu cầu lượng chất lượng dịch vụ Thêm kỹ thuật định tuyến đề cập luận văn giao thức LEACH giả định nút cảm biến BS khơng chuyển động Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng thu thập liệu môi trường nơi mà BS nút cảm biến cần phải di động Vì vậy, cần phải nghiên cứu thuật tốn định tuyến xử lý Topology thay đổi ngưỡng lượng cho phép 19 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M.S Elgamel, A Dandoush, A modified Manhattan distance with application for localization algorithms in ad-hoc WSNs AD HOC Networks 33, 168–189 (2015) [2] M Erazo-Rodas, M Sandoval-Moreno, et al., Multiparametric monitoring in equatorial tomato greenhouses (III): environmental measurement dynamics Sensors 18(8) (2018) [3] M Bsoul, A Al-Khasawneh, A E Abdallah, E E Abdallah, and I Obeidat, “An energy-efficient threshold-based clustering protocol for wireless sensor networks,” Wireless Personal Communications, vol 70, no 1, pp 99–112, 2013 [4] I F Akyildiz, W Su, Y Sankarasubramaniam, and E Cayirci, “Wireless sensor networks: A survey,” Computer Network, vol 38, no 4, pp 393–422, Mar 2002 [5] S Soro, W.B Heinzelman, Prolonging the lifetime of wireless sensor networks via unequal clustering IEEE International Parallel & Distributed Processing Symposium 365 (2005) [6] X Fu, G Fortino, P Pace, G Aloi, W Li, Environment-fusion multipath routing protocol for wireless sensor networks Information Fusion (2019) [7] N A Pantazis, S A Nikolidakis, and D D Vergados, “Energyefficient routing protocols in wireless sensor networks: A survey,” IEEE Communications Surveys Tutorials, vol 15, no 2, pp 551–591, Second 2013 [8] A Pau, C Juan, et al., Performance evaluation of video streaming over ad hoc networks using flat and hierarchical routing protocols Mobile Networks and Applications 13(3-4), 324–336 (2008) [9] Haibo Liang, Shuo Yang, Li Li & Jianchong Gao “Research on routing optimization of WSNs based on improved LEACH protocol”, EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking volume 2019, Article number: 194 (2019) [10] G S Arumugam and T Ponnuchamy, “Ee-leach: development of energyefficient leach protocol for data gathering in wsn,” EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, vol 2015, no 1, pp 1–9, 2015 [11] Sunil Kumar Singh; Prabhat Kumar; Jyoti Prakash Singh “A Survey on Successors of LEACH Protocol”, IEEE Access, vol 5, pp 4298-4328, 2017, doi: 10.1109.2 20 [12] J Y Lee, K D Jung, S J Moon, and H Jeong, “Improvement on leach protocol of a wide-area wireless sensor network,” Multimedia Tools and Applications, pp 1–18, 2016 [13] J Kulik, W Heinzelman, H Balakrishnan, Negotiation-based protocols for disseminating information in wireless sensor networks Wireless Networks 8, 169–185 (2002) [14] S Han, Z Gong, W Meng, et al., Automatic precision control positioning for wireless sensor network IEEE Sensors Journal 16(7), 2140–2150 (2016) ... thiện LEACH để nâng cao hiệu mạng cảm biến không dây Trong trình tìm hiểu nghiên cứu giao thức LEACH, em lựa chọn đề tài ? ?Nghiên cứu hiệu lượng mạng cảm biến không dây sử dụng giao thức LEACH? ??... thể giao thức LEACH để từ thấy tối ưu giao thức lí giao thức lại sử dụng rộng rãi mạng cảm biến không dây 10 CHƯƠNG 3: CẢI THIỆN GIAO THỨC LEACH ĐỂ NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG 3.1 Tóm tắt hướng... vòng giao thức LEACH, giao thức LEACH- C, giao thức SEP giao thức LEACH- VA Như thấy hình, biến động số lượng đầu cụm giao thức LEACH- VA đề xuất cho kết tốt vượt trội so với giao thức LEACH, LEACH- C