Với giao thức ECHERP, mô hình năng lượng được xây dựng với các tham số sau:
Phân tán tín hiệu là 50 nJ/ bit (Eelec) để chạy máy thu và máy phát;
Phân tán tín hiệu là 100 pJ/ bit/ m2 (Eamp) để truyền bộ khuếch đại.
Năng lượng mà node phân tán cho quá trình truyền dẫn vô tuyến là ETx-elec(k,d) cho một bản tin chứa k bit trên khoảng cách d do phải chạy cả bộ phát ETx-elec(k) và bộ khuếch đại phát ETx- amp (k,d) được tính như sau:
2 amp elec amp Tx lec X T x T (k,d) E (k) E (k,d) E .k E .k.d E (3.1)
Với Elec: là năng lượng phân tán của bộ phát mỗi bit – bằng với năng lượng phân tán của bộ thu tương ứng mỗi bit
Eamp: là năng lượng phân tán của bộ khuếch đại phát mỗi bit trên 1m2
Ngoài ra, do sử dụng định tuyến đa chặng, ETx(k,d) sẽ bị giảm so với định tuyến một chặng. Tương tự như với trường hợp năng lượng bị phân tán bởi node với năng lượng thu ERx(k) cho bản tin chứa k bit do phải chạy năng lượng ERx-elec(k) của bộ thu và được tính bằng công thức:
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam k . E ) k ( E ) k ( E elec dec X R Rx (3.2) 3.4.2. Mô hình định tuyến
Trong giao thức ECHERP, trạm gốc được giả thiết có công suất giao tiếp và năng lượng dư là giới hạn. Ngoài ra, cũng giả thiết rằng trạm gốc được đặt ở vị trí cố định bên trong hoặc cách xa trường cảm ứng. Khoảng cách giữ trạm gốc và trung tâm của trường cảm ứng càng lớn thì năng lượng tiêu thụ cho mỗi node khi truyền đến trạm gốc càng tăng. Tất cả các node mạng đều giả thiết được đặt trong trường cảm ứng, và được nhóm tạm thời thành các cụm. Một trong các node trong mỗi cụm sẽ được chọn để trở thành cụm đầu não. Vì vậy, số lượng cụm đầu não sẽ bằng với số cụm. Cụm đầu não được đặt gần với trạm gốc và được xem như cụm đầu não mức đầu tiên. Các cụm đầu não có khả năng truyền trực tiếp đến trạm gốc với mức tiêu thụ năng lượng phù hợp. Các cụm đầu não được đặt ở các vị trí có khoảng cách đến trạm gốc lớn hơn sẽ lần lượt là các cụm đầu não mức hai, mức ba… Các cụm đầu não này truyền dữ liệu đến các cụm đầu não mức cao hơn. Ngoài ra, để đạt được cân bằng giữa năng lượng tiêu thụ và kéo dài thời gian sống của mạng, quá trình lựa chọn cụm đầu não sẽ được tiến hành theo lượt.
Đặc điểm chính của giao thức ECHERP là quá trình xử lý lựa chọn cụm đầu não. Trong giao thức này, để lựa chọn cụm đầu não, thông tin định tuyến và năng lượng được gửi trong mạng sẽ được coi
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
như một hệ thống tuyến tính, giải pháp cho quá trình này là sử dụng thuật toán khử Gauss. Vì vậy, các cụm đầu não được lựa chọn như các node để tối thiểu hóa năng lượng tiêu thụ tổng trong cụm.
Trong hầu hết các giao thức cũ, node có năng lượng thừa nhiều nhất trong cụm sẽ được chọn để trở thành cụm đầu não. Quá trình lựa chọn này có thể không hiệu quả như các giao thức cũ. Giả thiết rằng node x trong Hình 3.7 có mực năng lượng cao hơn các node khác sẽ thuộc về cùng cụm (“Nguồn: [5]”). Sau đó, node này được chọn để trở thành cụm đầu não mới. Tuy nhiên, node này sẽ buộc các node còn lại phải gửi dữ liệu theo hướng ngược lại đến trạm gốc, kết quả là năng lượng tiêu thụ sẽ nhiều hơn.
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
Đây không phải quá trình xử lý hiệu quả về năng lượng, và có thể được khắc phục bằng cách lựa chọn cụm đầu não theo phương thức hiệu quả hơn về mặt năng lượng. Quá trình này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng giao thức ECHERP. Các bước để thiết lập các cụm và lựa chọn cụm được thực hiện như sau:
1. Trạm gốc tạo ra lập lịch đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) và yêu cầu các node để quảng bá cho node đó, quá trình xử lý tương tự như các giao thức khác.
2. Mỗi node sẽ quảng bá bản tin để quảng cáo vị trí và mức năng lượng của node đến các node lân cận. Dựa vào thông tin được trao đổi, mỗi node sẽ thiết lập một bảng thông tin về các node lân cận để ghi lại vị trí và mức năng lượng của các node lân cận và gửi bảng này cùng với các thông tin tương ứng của node đến các node lân cận. Bước này được lặp lại cho đến khi thông tin của tất cả các node trong mạng được gửi đến trạm gốc, cho phép trạm gốc có được thông tin toàn cầu của mạng. Ở bước này, tất cả các node đều là ứng viên để trở thành cụm đầu não, và mỗi node đều có ID riêng cũng bao gồm bảng trao đổi này. 3. Ngay khi quá trình quảng cáo node được hoàn tất, trạm gốc sẽ
chạy thuật toán khử Gauss và tính toán số lượng vòng để mỗi node có thể trở thành cụm đầu não, cố gắng để tối ưu hóa thời gian sống của mạng. Trong bước đầu tiên của lựa chọn cụm, trạm gốc sẽ chọn các node gần với trạm gốc nhất để trở thành các cụm đầu não mức cao. Ngoài ra, một số node mà trạm gốc
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
không nhận được bất kỳ bản tin quảng cáo trực tiếp nào sẽ được xem xét để trở thành các cụm đầu não mức thấp. Số lượng các node được đăng ký bởi một cụm đầu não chiếm 5% tổng số node trong mạng, như vậy sẽ giúp đảm bảo quá trình hoạt động trong mạng đồng nhất với thiết lập tham số thay đổi. 4. Trạm gốc sẽ quảng bá các ID riêng của các cụm đầu não mới được lựa chọn, các node thành viên và các node sử dụng thông tin này để xây dựng và tham gia vào cụm. Vì vậy, mỗi node sẽ có thông tin về số lần nó trở thành cụm đầu não và số lần không trở thành cụm đầu não. Trạm gốc sẽ chạy thuật toán khử Gauss và tính toán số vòng để node có thể trở thành cụm đầu não và gửi thông tin này đến các node.
5. Các cụm đầu não mức thấp hơn không thể truyền trực tiếp đến trạm gốc. Chúng phải sử dụng các cụm đầu não mức cao hơn như là trạm chuyển tiếp trung gian để truyền dữ liệu đến trạm gốc.
6. Mỗi cụm đầu não sẽ tạo ra một lập lịch TDMA và quảng bá lập lịch này đến các node trong cụm, để xác nhận rằng mỗi node có một khe thời gian để có thể truyền. Ngoài ra, thành phần vô tuyến của mỗi node được cho phép tắt tại tất cả các chu kỳ, ngoại trừ trong suốt thời gian truyền dẫn. Vì vậy, năng lượng phân tán của mỗi bộ cảm biến sẽ được giảm.
7. Sau đó, quá trình truyền dữ liệu bắt đầu. Các node dựa vào thời gian truyền được phân bổ, sẽ gửi dữ liệu của các sự kiện được
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
quan tâm đến cụm đầu não. Công suất truyền của mỗi node được điều chỉnh để tối thiểu hóa công suất truyền tới node lân cận ở chặng kế tiếp. Trong bước này, cả nhiễu của các quá trình truyền khác và năng lượng phân tán được giảm thiểu. 8. Mỗi cụm đầu não mức thấp hơn sẽ tập hợp dữ liệu và truyền
dữ liệu được nén đến các cụm đầu não mức cao hơn cho đến khi dữ liệu đến được trạm gốc. Khi một vòng truyền dữ liệu kết thúc, giao thức sẽ quay lại bước 4 để bắt đầu vòng kế tiếp.
9. Trong trường hợp có thay đổi về cấu trúc mạng, do sự thay đổi về vị trí node hoặc thay đổi trong tiêu hao tổng năng lượng dư của node nên trạm gốc tiếp tục sử dụng thuật toán khử Gauss để xác định lựa chọn cụm đầu não phù hợp.
10. Giao thức ngừng hoạt động khi tất cả các node trong mạng hết năng lượng.
Hình 3.8 biểu diễn quá trình xây dựng cụm và gửi dữ liệu trong giao thức ECHERP [5].
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam Mạng có sử dụng cấu trúc cụm không? Cấu thành cụm sử dụng dữ liệu được tập hợp từ trạm gốc
Trạm gốc lựa chọn cụm đầu não sử dụng thuật toán khử Gauss
Gửi yêu cầu gia nhập từ cụm đầu não đến các node
Các node gia nhập cụm đầu não
Trạm gốc tạo lập lịch TDMA và gửi đến các node
Gửi dữ liệu từ các node đến trạm gốc Không
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
Hình 3.8: Quá trình xây dựng cụm và gửi dữ liệu trong giao thức ECHERP.
Thuật toán khử Gauss được sử dụng trong giao thức được mô tả trong Hình 3.9 [5].
Hình 3.9: Mã giả của thuật toán khử Gauss được sử dụng trong giao thức ECHERP.
Giao thức ECHERP chỉ thực hiện xây dựng cụm một lần duy nhất ở bước khởi tạo. Vì vậy, giao thức có thể tránh được việc tiêu tốn thời gian và năng lượng để xây dựng lại cụm. Năng lượng được các node tiêu thụ trong mạng được xây dựng theo mô hình tuyến tính, và trạm gốc sử dụng thuật toán khử Gauss để tính toán năng lượng tiêu thụ của node nếu node trở thành cụm đầu não ở các vòng kế tiếp bằng cách xem xét tất cả các khả năng có thể. Vì vậy, sự kết hợp giữa tối thiểu
for (k = 1; k < m + 1; k++)
i_max: = argmax (i = k ... m, abs(A[i, k]));
if (A[i_max, k] = 0)
error “Matrix is singular!”;
swap rows (k, i_max);
for (i = k + 1; i < m + 1; i++)
for (j = k + 1; j < n + 1; j++)
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
hóa năng lượng tiêu thụ tổng và kéo dài thời gian sống của mạng được lựa chọn.
Quá trình xử lý khử Gauss được chia thành hai pha. Trong suốt pha đầu tiên, bằng cách sử dụng kỹ thuật forward elimination, cấp của hệ thống đại diện cho năng lượng tiêu thụ sẽ được giảm. Quá trình này được thực hiện thông qua việc sử dụng quá trình hoạt động hàng cơ bản. Trong pha thứ hai, kỹ thuật back substitution được sử dụng để tìm giải pháp cho hệ thống ở trên.
Năng lượng tiêu thụ của cụm đầu não dựa trên việc thu dữ liệu của các bản tin được các node trong cụm gửi đến cụm đầu não và truyền dữ liệu của các bản tin được gửi từ cụm đầu não đến các cụm đầu não mức cao hơn hoặc đến trạm gốc. Năng lượng tiêu thụ của một node dựa trên việc truyền dữ liệu của bản tin đến cụm đầu não.
Giả thiết rằng một cụm có k node; ma trận A đại diện cho năng lượng tiêu
thụ của mỗi node trong cụm và k là số node trong một cụm; aij mô tả năng lượng được node i tiêu thụ nếu node j là cụm đầu não. Ngoài ra,
bi biểu diễn năng lượng dư của node i trong khi xi biểu diễn thời gian mà node i có thể trở thành cụm đầu não. Ma trận B và X được xây dựng để thỏa mãn điều kiện A.X=B.
k 4 3 2 1 k 4 3 2 1 kk 4 k 3 k 2 k 1 k k 4 44 43 42 41 k 3 34 33 32 31 k 2 24 23 22 21 k 1 14 13 12 11 b b b b b x x x x x a ... a a a a a ... a a a a a ... a a a a a ... a a a a a ... a a a a
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
(3.3)
3.4.3. Ước lượng khả năng hoạt động của giao thức ECHERP
Để ước lượng khả năng hoạt động của quá trình mô phỏng giao thức ECHERP, qua 50 cấu trúc mạng 100m x 100m khác nhau. Kiến trúc mạng được xem xét phải tuân theo những điều kiện sau:
Trạm gốc cố định được đặt xa trường cảm ứng;
Các node cảm biến bị giới hạn năng lượng với phân bổ năng lượng khởi tạo giống nhau;
Mỗi node cảm ứng môi trường với một tốc độ cố định và luôn có dữ liệu để gửi đến trạm gốc (dữ liệu được gửi khi có sự kiện);
Các node cảm biến được giả thiết là không di động. Tuy nhiên, giao thức cũng có thể hỗ trợ tính di động của node; Mạng là đồng nhất, và tất cả các node là ngang nhau, ví dụ,
các node có cùng khả năng giao tiếp và tính toán;
Mạng không quan tâm đến vị trí, ví dụ, vị trí địa lý của node không cần biết;
Máy phát có thể điều chỉnh công suất khuếch đại dựa vào khoảng cách truyền dẫn.
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
Kiến trúc mạng được đề cập ở trên đặc trưng cho số lượng ứng dụng của mạng cảm biến không dây phân cấp, ví dụ như trong các ứng dụng giám sát môi trường sống, giám sát và trinh sát, y sinh, tự động trong nhà, truy tìm đối tượng, điều khiển lưu lượng, giám sát lửa, điều khiển hàng tồn kho, quản lý năng lượng và chuẩn đoán lỗi máy, nông nghiệp.
Trong các ứng dụng thực của giao thức ECHERP, giao thức này có thể được sử dụng trong hệ thống giám sát lửa đặt trong các tòa nhà với các bộ cảm biến trong mỗi tòa nhà được đặt cùng một cụm để gửi dữ liệu đến cụm của tòa nhà kế tiếp.
Quá trình mô phỏng được thực hiện bằng cách phát triển môi trường phần mềm được ngẫu nhiên hóa dựa trên ngôn ngữ lập trình Java. Trong tất cả các mô phỏng được thực hiện, 500 node ngẫu nhiên với năng lượng khởi tạo là 2J được đặt ngẫu nhiên trong môi trường cảm biến 100 x 100 m2
. Trạm gốc được đặt ở vị trí (0,150), nên trạm gốc sẽ cách xa node gần nhất ít nhất là 100m, và các gói được gửi là 500 byte. Năng lượng tiêu thụ do giao tiếp được tính toán sử dụng mô hình năng lượng first order. Giả sử mỗi node cảm ứng không di chuyển và tạo một gói dữ liệu ở mỗi vòng để truyền đến trạm gốc. Các node cảm biến được nhóm thành các cụm có cụm đầu não để gửi dữ liệu đến các cụm đầu não mức cao hơn để tới được trạm gốc.
Hình 3.10 và 3.11 biểu diễn năng lượng phân tán trung bình và số lượng node còn sống khi sử dụng các giao thức LEACH, PEGASIS và ECHERP [5].
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
Hình 3.10: Năng lượng phân tán trung bình và thời gian sống của mạng theo vòng.
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
Hình 3.11: Số lượng node sống và thời gian sống của mạng theo vòng
Như trên hình 3.10 và 3.11, khả năng hoạt động của ECHERP tốt hơn hẳn só với các giao thức LEACH, PEGASIS và BCDCP. Trong các giao thức thức LEACH, PEGASIS và BCDCP, tất cả các node mạng sẽ chết ở cuối vòng tương ứng là vòng thứ 110, 115 và 120. Trong khi nếu áp dụng giao thức ECHERP, node cuối cùng sẽ chết ở vòng thứ 145. Ngoài ra, khả năng hoạt động của giao thức ECHERP còn được ước lượng như tỷ lệ giữa các node mức cao hơn và các node mức thấp hơn. Chính xác hơn thì các cụm đầu não mức cao không chỉ truyền dữ liệu của nó đến trạm gốc mà còn chuyển tiếp dữ liệu của các node mức thấp đến trạm gốc. Vì vậy, các cụm đầu não sẽ có năng lượng tiêu tán cao hơn các node mức thấp. Mối quan hệ giữ khả năng hoạt động của giao thức ECHERP với khả năng phân phối node trong cấu trúc mạng được biểu diễn dựa vào tỷ số node Nr: