3.3.1. Xây dựng và mô phỏng nền tảng thử nghiệm
Vùng mô phỏng kích thước 100 m × 100 m với 100 nút cảm biến được đặt ngẫu nhiên. Các nút này được mô phỏng để thu thập các thông số môi trường như nhiệt độ và độ ẩm. Trạm cơ sở đặt ở trung tâm của khu vực tại vị trí (50, 50) trong đó trạm gốc và các nút cảm biến được biểu thị dưới dạng một hình tam giác màu đỏ và một chấm đen tương ứng. Hình 3.4a cho thấy 100 nút được phân phối ngẫu nhiên trong khu vực. Hình 3.4b cho thấy các đầu cụm được bầu. Hình 3.4c cho thấy sự phân cụm. Hình 3.4d cho thấy đường dẫn tối ưu.
Hình 3. 4. Kết quả mô phỏng trên nền tảng thử nghiệm
3.3.2. Sự ổn định của số lượng đầu cụm
Số lượng đầu cụm ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả năng lượng của giao thức. Nếu số lượng đầu cụm ít, khoảng cách truyền dữ liệu của các nút cảm biến đến đầu cụm sẽ quá dài dẫn đến tiêu thụ thêm năng lượng. Đồng thời, dữ liệu dữ liệu dư thừa nhận và chuyển tiếp bởi đầu cụm khiến nó tiêu thụ năng lượng quá mức. Nếu số lượng đầu cụm lớn, tổng tải của mạng tăng lên, tổng mức tiêu thụ năng lượng của mỗi vòng mạng được tăng lên, hiệu quả tổng hợp dữ liệu mạng sẽ giảm và tuổi thọ của mạng không được kéo dài.
Hình 3.5 cho thấy số lượng đầu cụm của mỗi vòng trong giao thức LEACH, giao thức LEACH-C, giao thức SEP và giao thức LEACH-VA. Như có thể thấy
trong hình, các biến động số lượng đầu cụm trong giao thức LEACH-VA được đề xuất cho kết quả tốt hơn và vượt trội hơn so với các giao thức LEACH, LEACH-C và SEP. Trong quá trình chọn đầu cụm giao thức LEACH, lựa chọn đầu cụm và số lượng đầu cụm được tạo ngẫu nhiên dựa trên mô hình hàm ngưỡng, có tính ngẫu nhiên lớn. Từ hình vẽ, số lượng đầu cụm dao động trong phạm vi 5 ≤ k ≤18 trong giao thức LEACH và 3 ≤ k ≤10 trong giao thức LEACH-VA.
Hình 3. 5. Đồ thị số đầu cụm ứng với số vòng
Giao thức LEACH-VA tính toán số lượng đầu cụm tối ưu dựa trên tổng nhu cầu năng lượng mỗi vòng của mạng cảm biến không dây, do đó làm giảm tính ngẫu nhiên của số lượng đầu cụm. Trọng mạng cảm biến không dây, khi có một nút chết, chức năng ổn định số lượng đầu cụm vẫn còn hiệu lực trong giao thức LEACH-VA. Khi có một số lượng lớn các nút chết trong mạng cảm biến không dây, để cân bằng mức tiêu thụ năng lượng của mạng, tổng công suất của cụm sẽ bị giảm
3.3.3. Thời gian hoạt động của mạng
Với phép đo tham số này, chúng ta có thể theo dõi vòng đời của khu vực mạng cảm biến không dây. Nó bao gồm hai phần, thời kỳ ổn định và thời kỳ không ổn định. Thời gian giữa Nút đầu tiên chết (FND) và Nút cuối cùng chết (LND) là
thời kỳ không ổn định. Nó chủ yếu được sử dụng trong lĩnh vực giám sát môi trường và đòi hỏi một diện tích lớn để đặt các nút cảm biến. Do khu vực phân phối rộng, nếu các nút diện tích lớn bị chết, một số dữ liệu được thu thập không thể đánh giá chính xác các tham số môi trường. Do đó, bài viết này đánh giá tuổi thọ mạng theo FND để đánh giá liệu LEACH-VA có lợi thế rõ ràng so với ba giao thức trên hay không.
Hình 3.6 chỉ ra sự phân bố số lượng nút chết trong các giao thức LEACH, LEACH-C, SEP và LEACH-VA qua các vòng. Từ hình vẽ, có thể thấy rằng các vòng FND của bốn giao thức là 991, 1847, 1970 và 2257. So với LEACH, LEACH- VA tăng FND thêm 127%, tăng 22,2% so với LEACH-C và tăng 14,5% % so với SEP. Do đó, phương pháp LEACH-VA được đề xuất đã cải thiện đáng kể hiệu suất trong giai đoạn ổn định.
Hình 3. 6. Đồ thị số nút chết ứng với số vòng
Sự cải thiện hiệu suất này là do số lượng đầu cụm ổn định. Ở các giao thức LEACH, LEACH-C và SEP, ta quan sát thấy đầu cụm dao động lớn, đặc biệt là khi FND xuất hiện. Giao thức LEACH-VA làm giảm các dao động này như sau. Thứ nhất, nó có giá trị số lượng đầu cụm ổn định, làm giảm xác suất các đầu cụm bị quá tải, và giảm tổn thất năng lượng của các đầu cụm. Sau đó, giao thức phân cụm sử
dụng nguyên lý hình học sơ đồ Voronoi để giảm mức tiêu thụ năng lượng của giao tiếp với nội bộ cụm. LEACH-VA có hiệu quả kéo dài thời gian tồn tại của mạng cảm biến và tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng của các nút đơn vị.
3.3.4. Số lượng gói tin nhận được tại trạm gốc
Số lượng gói dữ liệu mà trạm gốc nhận được cũng là một tham số để đánh giá tốc độ sử dụng năng lượng. Phân phối năng lượng trong mạng càng cân bằng, trạm cơ sở nhận được càng nhiều gói tin. Hình 3.7 quan sát rằng số lượng gói tin nhận được tại BS cho các giao thức LEACH, LEACH-C, SEP và LEACH-VA, trong đó độ dài của một gói là 4000/bit. Như có thể thấy từ hình ảnh này, LEACH- VA tăng số lượng gói tin nhận được tại BS lên 71,4% so với LEACH, 33,3% so với LEACH-C và 14.3% so với SEP.
Hình 3.7. Đồ thị số gói tin nhận được tại trạm gốc ứng với số vong
Sự gia tăng đáng kể số lượng gói tin mà trạm cơ sở nhận được là do giảm xác suất cụm của đầu cụm và giảm hiệu quả tiêu thụ năng lượng của truyền thông đàm nội cụm. Dựa trên số lượng đầu cụm ổn định và nguyên lý hình học của sơ đồ Voronoi, các cụm đồng đều hơn, mức tiêu thụ năng lượng giữa các cụm tốt hơn và
việc sử dụng năng lượng của các nút đơn vị cũng được cải thiện. Ngoài ra, trong bài báo, giao thức định tuyến truyền đa chặng theo thuật toán tối ưu hóa đàn kiến được sử dụng để chuyển tiếp các gói dữ liệu của đầu cụm xa thông qua cụm lân cận với trạm gốc để giảm mức tiêu thụ năng lượng so với việc truyền trực tiếp.
3.3.5. Năng lượng dư
Việc tiêu thụ năng lượng nút được chia thành chủ yếu bốn phần: truyền dữ liệu, nhận dữ liệu, hợp nhất dữ liệu và giao tiếp nội cụm. Khi việc tiêu thụ năng lượng đồng đều hơn, các nút sống lâu hơn. Kết luận được rút ra là mức tiêu thụ năng lượng của giao thức LEACH-VA đồng đều hơn các giao thức LEACH, LEACH-C và SEP (Hình 3.8). Sự thay đổi của giá trị hàm ngưỡng sẽ gây ra sự thay đổi số lượng đầu cụm. Một số lượng lớn các đầu cụm được tạo ra trong quá trình lọc là nguyên nhân chính gây ra tiêu thụ năng lượng lọc. Các giao thức LEACH-C và SEP không xem xét mức tiêu thụ năng lượng của truyền thông nội cụm. Nhiều năng lượng hơn được sử dụng trong giao thức LEACH-VA để truyền dữ liệu để tăng hiệu quả sử dụng năng lượng.
Phương pháp được đề xuất giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng giữa các cụm và giảm mức tiêu thụ năng lượng của giao tiếp nội cụm. Nó cũng tối ưu hóa việc truyền dữ liệu của các đường dẫn đa bước. Năng lượng còn lại đã được cải thiện cả trong giai đoạn thiết lập và giai đoạn ổn định (Hình 3.8), giúp tiết kiệm năng lượng và tuổi thọ mạng được tăng lên.
Từ các thử nhiệm trên, ta thấy phương pháp đề xuất có thể kiểm soát số lượng đầu cụm dao động trong phạm vi 3 ≤ k ≤10. So với các giao thức còn lại, giao thức LEACH-VA tăng hiệu quả FND lên 1300 vòng, tuổi thọ mạng tăng 127% và các gói dữ liệu nhận được của BS tăng 71,4% trong khi mức tiêu thụ năng lượng của nút chỉ là 2,0084 × 10-4 J. Kết quả mô phỏng cho thấy giao thức LEACH-VA có hiệu quả về năng lượng vượt trội so với LEACH truyền thống, LEACH-C hay SEP.
3.4. Kết luận chương
Để phân tích một hướng cải thiện hiệu quả năng lượng trong giao thức LEACH, nội dung Chương 3 đã đề cập đến các hướng cải thiện giao thức LEACH, đồng thời tổng quát hóa hai giao thức LEACH-C và SEP. Qua các số liệu ta thấy: (i) số lượng đầu cụm tối ưu được tính cho mức tiêu thụ năng lượng chung trên mỗi vòng, (ii) sơ đồ Voronoi được thành lập, (iii) thuật toán đàn kiến được thêm vào giao thức để tối ưu hóa giao thức định tuyến đa bước.. Kết quả mô phỏng đã chỉ rõ rằng giao thức LEACH-VA tối ưu hơn so với LEACH-C và SEP. Mô hình được đề xuất cho lại kết quả chính xác và nhanh chóng hơn.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Mạng cảm biến không dây và các giải pháp kéo dài thời gian sống của mạng trong những năm gần trở lại đây đang trở thành tiêu điểm của các nghiên cứu trong cùng sự phát triển lớn mạnh của các giải pháp Internet vạn vật. Qua nhiều nghiên cứu ta thấy: các giải pháp cân bằng năng lượng phụ thuộc vào nhiều kiểu cấu hình và ứng dụng mạng. Tiếp cận định tuyến hiệu quả năng lượng trong mạng phẳng và phân cụm là khác nhau và đặc tính quan trọng nhất là giao thức định tuyến phải tối thiểu hóa được năng lượng tiêu thụ từ đó mới kéo dài được thời gian sống của mạng. Tiếp cận trong luận văn tốt nghiệp của em là cải thiện giao thức định tuyến LEACH để sử dụng năng lượng hiệu quả. Trong Luận văn của mình em đã hoàn thành mục tiêu nghiên cứu bao gồm những nội dung sau:
Chương 1: Trình bày về kiến trúc và ứng dụng của mạng cảm biến không dây từ khía cạnh sơ đồ khối, mô hình kết nối, ứng dụng và các vấn đề liên quan tới hiệu quả năng lượng
Chương 2: Tóm tắt vấn đề định tuyến trong mạng WSN và đi sâu nghiên cứu giao thức LEACH về các khía cạnh cơ chế hoạt động, đặc trưng và ứng dụng của nó.
Chương 3: Chương này tóm tắt các giải pháp cải thiện của LEACH, tìm kiếm và giải quyết vấn đề cải thiện giao thức LEACH sao cho sử dụng năng lượng hiệu quả, kéo dài thời gian sống của mạng.
Mạng cảm biến không dây ngày càng được dùng trong nhiều lĩnh vực như môi trường, sức khỏe, quân đội, sinh học hay các ứng dụng thương mại… với các yêu cầu chất lượng dịch vụ khác nhau. Vì vậy vấn đề định tuyến trong WSN là một thách thức bởi giao thức định tuyến buộc phải đảm bảo đc sự cân bằng của các yêu cầu về năng lượng cũng như chất lượng dịch vụ.
Thêm nữa các kỹ thuật định tuyến đề cập trong luận văn cũng như giao thức LEACH đều giả định rằng các nút cảm biến và BS không chuyển động. Tuy nhiên,
có rất nhiều các ứng dụng như thu thập dữ liệu môi trường nơi mà các BS và những nút cảm biến cần phải di động. Vì vậy, chúng ta cần phải nghiên cứu thuật toán định tuyến mới có thể xử lý Topology thay đổi trong ngưỡng năng lượng cho phép.
Em xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô giáo của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, các Thầy Cô Khoa Sau đại học, Khoa Viễn thông 1 và đặc biệt là thầy giáo TS.Nguyễn Chiến Trinh đã nhiệt tình hướng dẫn, chỉ bảo và định hướng cho em thực hiện luận văn thành công.
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 energy-efficient 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
[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)