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:
(3.4)
Với ∑nu là số lượng các node mức cao hơn; l n u n r N
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
∑nl là số lượng các node ở mức thấp hơn.
Các kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả tốt nhất về mặt năng lượng đạt được khi trạm gốc được đặt ở vị trí cách xa trung tâm của trường mạng 150m và số lượng node mức cao hơn phải lớn hơn 10% so với các node mức thấp hơn.
Hình 3.12: Thời gian xóa node cuối cùng và tỷ số Nr (Trạm gốc được đặt ở vị trí cách xa trung tâm trường mạng
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
Hình 3.13: Thời gian xóa node đầu tiên trong vòng và tỷ số Nr với trạm gốc được đặt cách xa trung tâm trường mạng 100m, 150m,
200m, 300m và 400m.
Bảng 3.3 tổng hợp các kết quả, các thông số quan tâm được biểu diễn trong Hình 3.12 và Hình 3.13 trong trường hợp phân phối năng lượng [5].
Bảng 3.3: So sánh giao thức ECHERP với các giao thức LEACH, PEGASIS và BCDCP theo khoảng cách của trạm gốc từ trung tâm
của trường cảm ứng khi năng lượng khởi tạo của node là 2J.
Khoảng cách giữa trạm gốc Thời gian xóa node Thời gian xóa node Năng lượng Các giao thức
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam và trung tâm trường WS (m) đầu tiên (%) cuối cùng (%) tiêu thụ (%) được so sánh 150 +98 +7.5 -25.05 LEACH 150 +5 +30 -19.12 PEGASIS 150 -10 +16 -17.25 BCDCP
Bảng 3.4 và 3.5 biểu diễn các kết quả mô phỏng trong Hình 3.12 và 3.13, trạm gốc được đặt cách vị trí trung tâm trường cảm ứng 150m và 300m [5].
Bảng 3.4: Phần trăm của những thay đổi trong hoạt động của mạng WSN bằng cách sử dụng giao thức ECHERP với tỷ số Nr khi trạm gốc
được đặt cách vị trí trung tâm trường cảm ứng 150m.
Tỷ số node Nr của node mức cao hơn so
với node mức thấp hơn
Thời gian xóa node đầu tiên
(%) Thời gian xóa node cuối cùng (%) Năng lượng tiêu thụ (%) 1 1.07 1.1 1.15 1.2 1.25 1.5 - +2 +10 +8.2 +4 +2 +2 - +3.5 +10 +8 +4.8 +2.7 +2 - -2.4 -5.7 -4.5 -3.2 -2.1 -1.9
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
Trong cả hai bảng, giao thức được kiến nghị thực hiện tốt hơn khi tỷ số node Nr của các node mức cao hơn so với các node mức thấp hơn là 1.1.
Bảng 3.5: Phần trăm của những thay đổi trong hoạt độngcủa mạng WSN bằng cách sử dụng giao thức ECHERP với tỷ số Nr khi trạm gốc
được đặt cách vị trí trung tâm trường cảm ứng 300m.
Tỷ số node Nr của node mức cao hơn so
với node mức thấp hơn
Thời gian xóa node đầu tiên
(%) Thời gian xóa node cuối cùng (%) Năng lượng tiêu thụ (%) 1 1.07 1.1 1.15 1.2 1.25 1.5 - +2.1 +10 +6.8 +4.9 +2.1 +0.1 - +3.1 +10 +7 +4.6 +3.1 +1.5 - -2.2 -5.7 -3.5 -3.2 -2.4 -1.5 3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG
Với mạng cảm biến không dây, việc duy trì năng lượng của các node cảm biến là một trong những yêu cầu quan trọng. Để có thể thực
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
hiện được yêu cầu này, các giao thức định tuyến khác nhau được xây dựng. Trong đó, các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây được chia thành ba loại: định tuyến khởi tạo trước, định tuyến phản ứng và định tuyến lai ghép dựa vào chức năng và mục đích của ứng dụng. Ngoài ra, các giao thức này còn có thể được phân chia thành các giao thức định tuyến trực tiếp, định tuyến phẳng và định tuyến phân cấp. Trong các loại giao thức trên, các giao thức sử dụng phương pháp định tuyến phân cấp tỏ ra vượt trội trong việc tiết kiệm năng lượng. Mặc dù các giao thức định tuyến phân cấp rất hiệu quả trong việc tiết kiệm năng lượng, tuy nhiên, chúng vẫn tồn tại một số nhược điểm đòi hỏi cần được khắc phục để đáp ứng tốt hơn nữa yêu cầu về tiết kiệm năng lượng. Do đó, một giao thức mới theo lý thuyết là giao thức ECHERP được kiến nghị. Giao thức ECHERP giúp nâng cao hiệu quả của việc tiết kiệm năng lượng thông qua cân bằng cụm, sử dụng mô hình mạng giống với hệ thống tuyến tính và sử dụng thuật toán khử Gauss, lựa chọn các cụm đầu não trong mạng.
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN
Mạng cảm biến không dây là một cơ sở hạ tầng bao gồm hàng trăm (thậm chí hàng nghìn) thiết bị cảm ứng, tính toán và liên lạc, cung cấp khả năng giám sát và phản ứng với các sự kiện, hiện tượng trong một môi trường nhất định. Các kỹ thuật tính toán và cảm ứng hiện nay đã cho phép phát triển những bộ cảm biến có kích thước nhỏ gọn, công suất và giá thành thấp. Các node cảm biến sau khi được triển khai phụ thuộc rất nhiều vào ứng dụng. Để thực hiện các nhiệm vụ này một cách hiệu quả thì cần phải có một giao thức định tuyến
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
hiệu quả về mặt năng lượng để thiết lập tuyến giữa các node cảm biến và sink. Quá trình lựa chọn tuyến phải đảm bảo thời gian sống của mạng là tối ưu. Các đặc điểm của môi trường chứa các node cảm biến, cùng với những giới hạn về năng lượng và tài nguyên khiến cho quá trình định tuyến gặp phải rất nhiều thách thức.
Các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây được chia thành ba loại: định tuyến khởi tạo trước, định tuyến phản ứng và định tuyến lai ghép dựa vào chức năng và mục đích của ứng dụng. Ngoài ra, các giao thức này còn có thể được phân chia thành các giao thức định tuyến trực tiếp, định tuyến phẳng và định tuyến phân cấp. Trong các loại giao thức trên, các giao thức sử dụng phương pháp định tuyến phân cấp tỏ ra vượt trội trong việc tiết kiệm năng lượng do các node trong mạng được nhóm thành các cụm và cụm đầu não sẽ chịu trách nhiệm tập hợp và truyền dữ liệu của tất cả các node cảm biến trong cụm của nó. Quá trình này giúp tiết kiệm các quá trình giao tiếp và xử lý, đồng thời cũng giúp tiết kiệm năng lượng cho toàn mạng. Một số giao thức định tuyến phân cấp phổ biến đang được ứng dụng rộng rãi trong đời sống như giao thức LEACH được sử dụng trong cấy ghép võng mạc nhân tạo, giao thức APTEEN được sử dụng trong các ứng dụng giám sát tòa nhà…
Mặc dù các giao thức định tuyến phân cấp hiện tại có khả năng tiết kiệm năng lượng rất tốt nhưng chúng vẫn tồn tại một số nhược điểm như:
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
Giao thức LEACH chỉ phù hợp với các ứng dụng hỗ trợ định tuyến tĩnh do việc phân cấp động sẽ dẫn tới mào đầu lớn và làm giảm độ lợi của năng lượng tiêu thụ. Ngoài ra, do giao thức LEACH giả thiết rằng tất cả các node đều bắt đầu với cùng một mức năng lượng và do đó, cụm đầu não cũng tiêu thụ năng lượng xấp xỉ với năng lượng tiêu thụ của mỗi node trong cụm.
Giao thức PEGASIS giả thiết tất cả các node cảm biến đều có cùng một mức năng lượng nên tất cả các node này có thể chết tại cùng một thời điểm.
Trong giao thức TEEN, một node phải chờ khe thời gian để truyền dữ liệu và khe thời gian này sẽ bị lãng phí nếu node không truyền dữ liệu.
Vấn đề của giao thức APTEEN nằm ở mào đầu và độ phức tạp trong quá trình xây dựng cụm thành nhiều mức.
Do đó, một giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng mới theo lý thuyết được kiến nghị là giao thức ECHERP. Giao thức ECHERP cung cấp khả năng tiết kiệm năng lượng thông qua việc thực hiện cân bằng cụm, sử dụng mô hình mạng giống với hệ thống tuyến tính và sử dụng thuật toán khử Gauss, lựa chọn các cụm đầu não trong mạng. Giao thức ECHERP xem xét mức năng lượng dư hiện tại và ước lượng mức năng lượng trong tương lai của node, cùng với số vòng để trở thành cụm đầu não nhằm tối đa hóa thời gian sống của mạng. Giao thức ECHERP tính toán năng lượng tiêu thụ bằng cách sử dụng thuật toán khử Gauss để tối thiểu hóa năng lượng tiêu thụ tổng trên toàn
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
mạng ở mỗi vòng. Vì vậy, nó sẽ chọn một node để trở thành cụm đầu não nhằm tối thiểu năng lượng tiêu thụ tổng trong cụm và sẽ không chọn các node tiêu thụ nhiều năng lượng hơn. Giao thức ECHERP cũng sử dụng phương pháp định tuyến đa chặng để truyền dữ liệu đến trạm gốc. Vì vậy, giao thức ECHERP có thể thực hiện hiệu quả đáng kể về mặt năng lượng so với các giao thức định tuyến phân cấp trước. Tuy nhiên, giao thức ECHERP vẫn chưa cân nhắc đến những giới hạn về mặt thời gian và QoS. Do đó, trong thời gian tới, để nâng cao hơn nữa hiệu quả hoạt động của giao thức ECHERP đòi hỏi cần có những nghiên cứu chuyên sâu hơn về ảnh hưởng của thời gian và QoS đến khả năng hoạt động của giao thức ECHERP, góp phần hoàn thiện về mặt lý thuyết để có thể áp dụng vào trong thực tiễn.
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Waltenegus Dargie, Christian Poellabauer (2010), Fundamentals
of Wireless Sensor Networks Theory and Practice, A John Willey
and Sons, Ltd.
2. Ian F. Akyildiz, Mehmet Can Vuran (2010), Wireless Sensor
Network, A John Willey and Sons, Ltd.
3. Kazem Sohraby, Daniel Minoli, Taieb Znati (2007), Wireless
Sensor Networks Technology, Protocols, and Application, John
Willey and Sons, Inc.
4. Subhas Chandra Mukhopadhyay, Yueh – Min Huang (2008), Sensor Advancements in Modeling, Design Issues, Fabrication
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
and Practical Applications, Lecture Notes Eclectrical
Engineering, Vol 21, Springer – Verlag Berlin Heidelberg.
5. Stefanos A. Nikolidakis, Dionisis Kandris, Dimitrios D. Vergados, Christos Douligeris (2013), “Energy Efficient Routing in Wireless Sensor Networks Through Balanced Clustering”, MDPI, Basel, Switzerland.
6. Arati Manjeshwar, Dharma P. Agrawal (2002), “APTEEN: A Hybrid Protocol for Efficient Routing and Comprehensive Information Retrieval in Wireless Sensor Networks”, IEEE.
7. Anjali Bharti, Kanika Sharma (2013), “Comparative Study of Clustering based Routing Protocols for Wireless Sensor Network”, International Journal of Computer Applications (0975 – 8887), Volume 66, No.21.
8. Debnath Bhattacharyya, Tai-hoon Kim, Subhajit Pal (2010), “A Comparative Study of Wireless Sensor Networks and Their Routing Protocols”, www.mdpi.com/journal/sensors.
9. Sunita Gupta, Ph.D K.C.Roy (2013), “Comparison of different Energy Minimization Techniques in Wireless Sensor Network”,
International Journal of Computer Applications (0975 – 8887),
Vol.75, No.18.
10. Stephanie Lindsey Cauligi S. Raghavendra, “PEGASIS: Power- Efficient Gathering in Sensor Information Systems”.