Giao thức phân nhóm phân tán, hiệu quả năng lượng và lai ghép-HEED giả sử rằng, các node cảm biến không có bất kỳ khả năng đặc biệt nào và tất cả các node được phân nhóm là quan trọng như nhau. Mục đích chính của HEED là kéo dài thời gian sống cuả
44
mạng. Thời gian hoạt động của mạng được định nghĩa cho đến khi node đầu tiên (hoặc node cuối cùng) trong mạng dùng hết năng lượng của nó. Để đạt được điều này, HEED sử dụng phương pháp tiếp cận xác suất để lựa chọn các node chủ cụm có năng lượng dư thừa cao (so với các node thông thường) với số lần lặp không đổi.
Một node được sắp xếp vào một nhóm và phải có khả năng trao đổi thông tin với node chủ cụm của nhóm qua một chặng bằng việc sử dụng phạm vi truyền dẫn bên trong nhóm, Rc, Rc tương ứng với mức công suất Pc . Định tuyến giữa các nhóm sử dụng phạm vi truyền dẫn lớn hơn Rt (Rt>Rc) và tương ứng với mức công suất Pt .
Lựa chọn node chủ cụm phải dựa vào hai tham số: tham số thứ nhất (năng lượng dư của node) được sử dụng để lựa chọn một tập hợp ban đầu các node chủ cụm, và tham số thứ hai được sử dụng để phá vỡ những ràng buộc. Sự ràng buộc xuất hiện khi có hai node trong phạm vi Rc thông báo cho nhau về sự sẵn sàng trở thành node chủ cụm. Thông số thứ hai này có thể được thiết lập cho việc ước lượng “chi phí” trao đổi thông tin trong nhóm, “chi phí” này là hàm của mật độ nhóm và quan hệ lân cận.
Một node thường thiết lập ban đầu xác suất của nó để trở thành node chủ cụm:
max residual prob prob E CH C E = (3)
Ở đây, Eresidual là năng lượng dư ước chừng của node, Emax là năng lượng tối đa tham chiếu và Cprob là một hằng số nhỏ không đổi được sử dụng để giới hạn số các thông báo của node chủ cụm ban đầu.
CHprob không được phép thấp hơn một giá trị xác suất nhỏ Pmin để đảm bảo kết quả thời gian không đổi. Trong mỗi một hoạt động lặp, một node thường phân xử lựa chọn trong số các thông báo của node chủ cụm mà nó thu được để lựa chọn node chủ cụm có chi phí thấp nhất. Nếu nó không nhận được bất kỳ một thông báo nào, nó sẽ tự chọn nó trở thành node chủ cụm với xác suất CHprob. Nếu thành công, nó sẽ gửi đi một thông báo nói về trạng thái sẵn sàng trở thành node chủ cụm. Tiếp đó, node sẽ gấp đôi giá trị CHprob , chờ trong một khoảng thời gian lặp ngắn tc và sau đó bắt đầu lần lặp tiếp theo. Node thường dừng quá trình lặp cho đến khi CHprob đạt đến 1. Nếu một node quyết định trở thành node chủ cụm, nó thường tăng công suất phát lên Pt cho trao đổi thông tin giữa các nhóm.
Các tác giả cũng chỉ ra là, HEED kết thúc việc chọn node chủ cụm với số lần lặp cố định
45 (1) iter N =O với 2 min 1 log 1 iter N p é ù ê ú £ + ê ú ë û (4)
Điều này tương phản với một số phương thức khác khi mà các node chủ cụm được lựa chọn mới ngay sau mỗi bước lặp và nó cũng làm giảm các chi phí thiết lập cao, không cần thiết gắn kết với quá trình lựa chọn các node chủ cụm. Thêm vào đó, mạng các nhóm vẫn duy trì kết nối theo một mô hình mật độ nhất định khi Rtc > 6R. Ngoài ra, xác suất mà hai node chủ cụm nằm lẫn nhau trong cùng phạm vi của nhóm Rc là rất nhỏ.
Nhận xét: Việc lựa chọn thăm dò các node chủ cụm là ngẫu nhiên và dựa trên năng lượng dư của các node. Do vậy mà HEED không thể đảm bảo lựa chọn được tối ưu các node chủ cụm về mặt năng lượng, và cũng như đối với số nhóm trong mạng và số node trong một nhóm.
3.3.6 Chọn node chủ theo tiền phân nhóm năng lƣợng động dựa vào năng lƣợng và vị trí.
Phương pháp lựa chọn node chủ cụm theo thuật toán tiền phân nhóm năng lượng động dựa vào năng lượng và vị trí của các node [3]được thực hiện như sau:
Trong vòng đầu tiên, không có cần phải xem xét yếu tố năng lượng vì các node với cùng một năng lượng ban đầu. Trong giai đoạn lựa chọn cluster đứng đầu, trong mỗi tiền cụm ( pre- cluster), chọn các node có giá trị nhỏ nhất của P là đầu cụm.
1 2
P =aD +bD
(5)
D1 là khoảng cách từ node tới tới cụm trung tâm, cái có thể được biết đến bới giải thuật trọng tâm ( centrol algorithm ). D1 được tính toán bằng cách sử dụng giá trị chuẩn hóa như D1=Dt0 centrol/ MAXD to centrold .
D2 là khoảng cách từ node tới trạm cơ sở và α với giá trị 0.8, ᵦ với giá trị là 0.2. Giá trị chuẩn hóa của D2 là D2 = ( DtoBS - MinD to BS) / ( MaxDtoBS – MinDtoBS ) .
Từ vòng thứ hai, chọn những node với giá trị nhỏ nhất của P’ như là các đầu cụm.
' ' '
1 2 average / residual
P =a D +b D +g E E
(6)
Eaverage là năng lượng trung bình hiện tại của node trong cụm ( nhóm) . Eresidual là năng lượng dư hiện tại của các node. Giá trị Eaverage / Eresidual là khoảng 1, dữ liệu thực tế có thể được sử dụng để tính toán. Định nghĩa D1 và D2 cũng giống như ở trên và có α’ +ᵦ’+γ’ = 1. Sau một số vòng, tất cả các node có thể có ít năng lượng hơn, nếu các node năng
46
lượng thấp được chọn là các đầu cụm, chúng thể sẽ bị quá tải, theo thời gian, tỷ lệ γ được tăng dần. Trong giải thuật này, điều chỉnh động tuyến tính được tiếp cận là được áp dụng để kéo dài đời mạng thay vì phương pháp truyền thống hằng số trọng lượng. Trong phương trình tính P ', giá trị của α', β’ và γ được tính như dưới đây và T là vòng hiện hành. ' 0.4 625 T a = - , ' 0.1 2500 T b = - , 0.5 500 T g = + (7)
ở vòng 250, cả hai giá trị α’ và β 'trở thành 0 với γ tới 1. Vào thời điểm đó, công thức có thể được chỉ đơn giản là thể hiện như H '= Eaverage / Eresidual, do đó, điều này cũng phản ánh rằng theo thời gian, năng lượng trở thành yếu tố quan trọng nhất.
Nhận xét: Ưu điểm của phương pháp này là đã phân chia phạm vi mạng. Trong mỗi mạng con, phương pháp này đã đề xuất một vị trí và năng lượng dựa trên giải thuật tiền phân nhóm năng lượng động, điều chỉnh vị trí tương đối của các cụm chia để cân bằng mức tiêu thụ năng lượng trong quá trình lựa chọn các Cluster Head. Vị trí và năng lượng của các node có liên quan cũng được đưa vào để tính toán. Trong phạm vi tải của mỗi trạm cơ sở, phương pháp này đề xuất vị trí và năng lượng dựa trên giải thuật tiền phân nhóm động giúp làm giảm tiêu thụ năng lượng của Node chủ cụm trong quá trình truyền trong cụm và truyền tải giữa các cụm. Ở cuối mỗi vòng, vị trí của các cụm tiền phân nhóm được tự động điều chỉnh để cân bằng mức tiêu thụ năng lượng của các node trong cụm khác nhau mà làm cho tiêu thụ năng lượng đồng đều hơn cho tất cả các node.
3.4 Kết luận
Trong các mạng cảm biến không dây đa sink, từ quan điểm tiết kiệm năng lượng và cân bằng lưu lượng trạm gốc, qua đó kéo dài hiệu quả hoạt động và thời gian sống của mạng là vấn đề hết sức quan trọng, chương này đã nghiên cứu và tổng quan một số nguyên lý và phương pháp lựa chọn node cảm biến làm node chủ cụm trong mạng cảm biến không dây. Trong chương đã phân tích, lý giải cụ thể một số ứng dụng về việc lựa chọn các node chủ cụm trong các giao thức và giải thuật định tuyến phổ biến của mạng cảm biến không dây. Việc chọn node chủ cụm giúp các mạng cảm biến không dây quản lý cấu hình mạng một cách hiệu quả, góp phần làm giảm chi phí trao đổi thông tin, duy trì mạng hoạt động trong một thời gian dài. Vì vậy những nội dung chương này có thể là tài liệu tham khảo và gợi ý tìm hiểu sâu hơn cho những người nghiên cứu về mạng cảm biến không dây quan tâm đến vấn đề hiệu quả hoạt động và tiết kiệm năng lượng của mạng thông qua định tuyến phân cấp.
47
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN
Ngay khi ra đời, mạng cảm biến không dây đã trở thành một trong những đề tài nghiên cứu hấp dẫn nhất trong lĩnh vực viễn thông bởi WSN có khả năng đáp ứng được rất nhiều ứng dụng trong thực tế, có thể thích ứng linh hoạt, xử lý và khắc phục sự cố khi xảy ra hư hỏng, có chi phí triển khai mạng thấp... Sự ra đời của WSN đã mở ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực cảm biến và thu thập thông tin, mang lại nhiều lợi ích thiết thực cho cuộc sống, cho sản xuất và trong khoa học. Tuy nhiên, cũng giống như các mạng truyền thông khác, mạng cảm biến cũng phải đối mặt với rất nhiều thách thức, một trong những thách thức lớn nhất là nút cảm biến phải hoạt động với nguồn năng lượng giới hạn và không thể nạp lại. Để giải quyết vấn đề này, nhiều hướng nghiên cứu được tiếp cận nhưng đặc biệt quan trọng và mang lại hiệu quả rõ rệt nhất và hướng nghiên cứu tập trung vào thiết kế giao thức định tuyến phù hợp cho WSN.
Trong những giao thức định tuyến phổ biến đang được sử dụng trong mạng cảm biến, các giao thức thuộc nhóm giao thức phân cấp được đánh giá rất cao nhờ tính linh hoạt, có khả năng đáp ứng được yêu cầu mở rộng mạng và kéo dài thời gian sống của mạng. Tuy nhiên, trong loại giao thức này cũng gặp nhiều khó khăn để có thể nâng cao hiệu năng của mạng và kéo dài thời gian sống của toàn mạng. Đó là các vấn đề về định tuyến, phương pháp truyền thông tin, cách phân nhóm và lựa chọn các node chủ cụm trong các nhóm khác nhau…
Trong phạm vi luận văn này, em đã tìm hiểu và nắm được các vấn đề về các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây một cách chung nhất. Nêu lên các đặc điểm và các ưu nhược điểm của từng loại giao thức tiêu biểu. Qua đó đi vào nghiên cứu chi tiết một khía cạnh của các giao thức phân cấp trong mạng cảm biến không dây là phương pháp chọn node chủ cụm. Đây cũng là một phương pháp góp phần định tuyến trong mạng cảm biến không dây và góp phần tiết kiệm năng lượng, tối ưu hóa quá trình hoạt động và do đó kéo dài thời gian sống của mạng.
Tuy nhiên, do giới hạn về thời gian thực hiện và cách tiếp cận nghiên cứu về mạng cảm biến không dây còn hạn chế nên luận văn chắc chắn còn nhiều điểm thiếu sót, chưa đào sâu phân tích cũng như chưa đưa ra được các giao thức định tuyến mới hay các phương pháp góp phần nâng cao chất lượng hoạt động của mạng cảm biến không dây. Hướng phát triển tiếp theo là tập trung nghiên cứu các giao thức này, để có thể phân tích, so sánh và nhận thức đầy đủ về vấn đề định tuyến trong WSN, đồng thời có khả năng đề xuất các phương pháp mới trong việc lựa chọn node chủ cụm, cách thức phân nhóm trong các giao thức phân cấp hoặc cao hơn nữa là đề xuất các giao thức định tuyến mới cho mạng cảm biến không dây, góp phần vào sự phát triển của loại mạng này.
48
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 đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo và hướng dẫn em hoàn thành luận văn này.
49
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 Akkayaand 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.