Nhận xét: Từ biểu đồ3.4.a, b cho thấy:
- Nếu kích thước cụm mong muốn hình thành là 25 nút (1/4 tổng số nút mạng) thì năng lượng tiêu tốn của toàn mạng ít và tiêu hao ổn định. Có được điều này là tính chất xoay vòng cụm linh động và trưởng cụm linh động nên tạo ra sự cân bằng tải năng lượng. Do đó, tăng tuổi thọ của WSNs.
- Nếu kích thước cụm mong muốn hình thành càng nhỏ (nhỏ hơn 25 nút) thì sự tiêu tốn năng lượng càng nhanh, và mạng sẽ ngừng hoạt động sớm hơn. Nguyên nhân là do có nhiều cụm nên sẽ có nhiều trưởng cụm, và như vậy các nút sẽ tiêu tốn năng lượng nhanh khi thực hiện chức năng trưởng cụm (chu kỳ làm trưởng cụm sẽ đến nhanh các nút và các nút có thể ở xa so với BS nên khi làm trưởng cụm sẽ tốn năng lượng nhiều hơn).
3.4.4.3. Đánh giá về tuổi thọ của mạng (số nút còn sống theo thời gian)
Số nút còn sống chính là tiêu chí đánh giá tuổi thọ của mạng. Thời gian hoạt động càng lâu mà vẫn có nhiều nút còn sống thì chứng tỏ mạng đó hoạt động tốt.
Hình 3.5.a) Số nút còn sống theo thời gian trong LEACH với số cụm mong muốn hình thành lần lượt: 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 17, 20, 25, 30, 40, 50
Hình 3.5.b) Số nút còn sống theo thời gian trong LEACH với số cụm mong muốn hình thành lần lượt là: 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
Nhận xét:
- Nếu kích cụm mong muốn hình thành là 25 nút (số cụm là 4% của tổng số nút) thì số nút còn sống theo thời gian của toàn mạng luôn duy trì ở mức cao và có tuổi thọ tốt nhất. Càng ít cụm thì sự tiêu tốn năng lượng của các nút càng đồng đều hơn. Nguyên nhân là do nút trong mỗi cụm các nút có xác suất để làm trưởng cụm thấp, khi không phải là trưởng cụm thì khi truyền dữ liệuchỉ cần truyền về trưởng cụm chứ không truyền về BS.
- Nếu kích cụm mong muốn hình thành càng ít (<4% tổng số nút) thì tổng số nút còn sống theo thời gian giảm đi nhanh chóng. Số trưởng cụm càng nhiều thì các nút càng thực hiện chức năng trưởng cụm nên sẽ tiêu tốn năng lượng nhanh hơn.
3.4.5. Đánh giá và so sánh hiệu năng củaLEACH-C khi thay đổi số cluster
LEACH-C là một phiên bản của giao thức LEACH. Trong đó, số cụm hình thành và trưởng cụm ban đầu được ấn định trước bởi BS. Trong quá trình hoạt động, số cụm giữ nguyên, nhưng trưởng cụm thay đổi theo chu kỳ.
3.4.5.1.Đánh giá sự thăng giáng của thông lượng đến BS
Kết quảthể hiện hình 3.6
Hình 3.6.a) Sự thăng giáng của thông lượng tại BS trong LEACH-C với số cụm mong
muốn hình thành lần lượt: 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 17, 20, 25, 30,
40, 50
Hình 3.6.b) Sự thăng giáng của thông lượng tại BS trong LEACH-C với số cụm mong
muốn hình thành lần lượt: 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
Hình 3.6.c) Sự thăng giáng trong trong LEACH-C với số cụm hình thành lần lượt là: 2, 3, 4, 5 Hình 3.6. Sự thăng giáng của thông lượng tại BS trong LEACH-C
/s
Nhận xét:
- Nếu áp đặt số cụm hình thành càng ít (kích thước cụm càng lớn) thì số gói tin truyền về BS nhiều và ổn định, đồng thời tuổi thọ của mạng tăng. Cụ thể, khi chạy LEACH-C với kích thước cụm là 50 nút thì có số gói tin truyền về BS nhiều vàổn định hơn khi chạy LEACH-C với kích thước cụm nhỏ hơn 50 nút. Có được điều này vì LEACH-C khôngthay đổi số cụm đã hình thành (do BS biết được vị trí, mức năng lượng của các nút trong mạng nên các cụm được hình thành tối ưu) . Hơn nữa, trong cụm tổ chức xoay vòng trưởng cụm theo chu kỳ nên giúp cân bằng tiêu hao năng lượng, và quá trình truyền dữ liệu diễn ra ổn định và lâu dài.
- Nhưng nếu kích thước cụm áp đặt hình thành càng nhỏ (số cụm nhiều) thì số gói tin truyền về BS nhiều ở giai đoạn đầu,về saulại giảm khá nhanh (do số cluster nhiều nên nhiều trưởng cụm) do năng lượng của các nút giảm nhanh, có thể ở xa so với BS và không đủ năng lượng để truyền dữ liệu về đích.
3.4.5.2. Đánh giá sự tiêu hao năng lượng của mạng
Kết quảthể hiện ở hình 3.7
Hình 3.7.a) Sự tiêu hao năng lượng trong LEACH-C với số cụm hình thành lần lượt: 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 17, 20, 25, 30, 40, 50
Hình 3.7.b) Sự tiêu hao năng lượng với số cụm hình thành lần lượt: 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 Hình 3.7. Sự tiêu tốn năng lượng toàn cục trong LEACH-C
Nhận xét:
- Nếu áp đặt số cụm hình thành càng ít thì sự tiêu hao năng lượng của toàn mạng càng ít vàổn định, về sau có tăng nhưng không đáng kể.
- Ngược lại, nếu áp đặt số cụm hình thành càng nhiều thì sự tiêu hao năng lượng càng tăng nhanh. Nguyên nhân là do số cụm nhiều nên số nút làm chức năng trưởng cụm cũng nhiều, số nút có năng lượng tiêu hao nhanh càng nhiều và có sự chênh lệch về mức năng lượng còn lại giữa các nút.
3.4.5.3.Đánh giá về tuổi thọ của mạng (số nút còn sống theo thời gian)
Hình 3.8.a) Số nút còn sống theo thời gian trong LEACH-C với số cụm hình thành lần lượt: 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 17, 20, 25, 30, 40, 50
Hình 3.8.b) Số nút còn sống với số cụm hình thành lần lượt: 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 Hình 3.8. Số nút cảm biến còn sống theo thời gian trong LEACH-C
Nhận xét:
- Nếu áp đặt số cụm hình thành càng ít (<5% tổng số nút) thì số nút còn sống theo thời gian của toàn mạng luôn duy trìở mức cao vàổn định.
- Vì trưởng cụm có chức năng tập hợp, tổng hợp dữ liệu và truyền tin về BS nên nếu duy trì số cụm càng nhiều thì nhiều nút trong mạng sẽ mau hết năng lượng hoặc chết hoặc không có khả năng truyền dữ liệu về BS nữa. Với những nguyên nhân đó dẫn đến số nút còn sống theo thời gian giảm nhanh chóng và không cần bằng tải năng lượng của mạng.Do đó tuổi thọ của WSNs giảm.
3.4.6. Đánhgiá và so sánh hiệu năng củaSTAT-CLUSTER khi thay đổi số cluster
STAT-CLUSTER là một mở rộng của LEACH, trong đó số cụm hình thành và trưởng cụm ban đầu được ấn định bởi BS và cố định trong suốt quá trình hoạt động của giao thức.
3.4.6.1.Đánh giá sự thăng giáng của thông lượng đến BS
Kết quảthể hiện ở hình 3.9
Hình 3.9.a) Sự thăng giáng của thông lượng tại BS trong STAT-CLUSTER với số cụm
hình thành lần lượt: 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 17, 20, 25, 30, 40, 50
Hình 3.9.b) Sự thăng giáng của thông lượng tạiBS trong STAT-CLUSTER với số cụm
hình thành lần lượt: 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
Hình 3.9.c) Sự thăng giáng của thông lượng tại BS trong STAT-CLUSTER với số cụm
hình thành lần lượt: 4, 6
Hình 3.9. Sự thăng giáng của thông lượng tại BS trong STAT-CLUSTER
/s
Nhận xét:
- Nếu áp đặt tỷ kích thước cụm hình thành ban đầu trong khoảng lân cận 25 nút (25% tổng số nút mạng) thì số gói tin truyền về BS nhiều vàổn định.
- Cụ thể, khi chạy STAT-CLUSTER với kích thước cụm là 25 nút hoặc 17 nút hoặc 33 nút thì số gói tin chuyển về BS nhiều hơn và ổn định hơn so với khi chạy STAT- CLUSTER có kích thước nhỏ hơn (nhỏ hơn 15 nút). Nguyên nhân: vì STAT-CLUSTER cố định số cụm và trưởng cụm trong suốt quá trình hoạt động của mạng (ban đầu BS biết được mức năng lượng của từng nút trong mạng nên nếu phân chia các cụm sẽ phân chia một cách tối ưu nhất để mạng hoạt động được tốt) nêntrưởng cụm nhanh hết năng lượng. Khi có năng lượng yếu mà các nút cảm nhận được thông tin nữa thì cũng không thể truyền về BS được (có thể có nhiều nút ở xa BS).
3.4.6.2.Đánh giá sự tiêu hao năng lượng của mạng
Kết quảmô phỏng của tôi được thể hiện ở hình 3.10:
Hình 3.10.a) Sự tiêu hao năng lượng trong STAT-CLUSTER với số cụm hình thành lần lượt: 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 17, 20, 25, 30, 40, 50
Hình 3.10.b) Sự tiêu hao năng lượng trong STAT-CLUSTER với số cụm hình thành lần lượt: 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
Hình 3.10.c) Sự tiêu hao năng lượng với số cụm hình thành lần lượt: 2, 3, 4, 5, 6 Hình 3.10. Sự tiêu tốn năng lượng toàn cục trong STAT-CLUSTER
Nhận xét:
- Nếu số cụm áp đặt hình thành ban đầu càng nhỏ (lân cận 5% tổng số nút mạng) thì sự tiêu hao năng lượng của toàn mạng ít hơn. Tuy nhiên tuổi thọ của WSNs cũng không tốt lắm (trung bình khoảng 50s là mạng dừng hoạt động). Nếu áp đặt số cụm hình thành càng nhiều thì sự tiêu hao năng lượng càng tăng nhanh.
- Nguyên nhân: vì STAT-CLUSTER không thay đổi trưởng cụm của các cụm cũng như số cụm của mạng trong suốt quá trình hoạt động nên sau khi mạng hoạt động được một thời gianngắn thì hầu như không tiêu tốn năng lượng nữa (vì các trưởng cụm không đủ sức truyền dữ liệu về BS hoặc là bị chết sớm).
3.4.6.3.Đánh giá về tuổi thọ của mạng (số nút còn sống theo thời gian)
Kết quảthể hiệnở hình 3.11
Hình 3.11.a) Số nút còn sống theo thời gian trong STAT-CLUSTER với số cụm hình thành lần lượt: 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 17, 20, 25, 30, 40, 50
Hình 3.11.b) Số nút còn sống theo thời gian trong STAT-CLUSTER với số cụm hìn h thành lần lượt: 2, 3, 4, 5, 6
Hình 3.11. Số nút cảm biến còn sống theo thời gian trong STAT-CLUSTER
Nhận xét:
- Nếu áp đặt số cụm hình thành ban đầu càng ít (<=5% tổng số nút) thì số nút còn sống theo thời gian của toàn mạng luôn duy trìở mức cao ở thời kỳ ban đầu. Tuy nhiên càng về sau thì số nút chết càng nhiều, dẫn đến tuổi thọ mạng ngắn.
- Ngược lại nếu áp đặt số cụm hình thành banđầu càng nhiều (>5% tổng số nút) thì số nút còn sống theo thời gian giảm càng nhanh và tuổi thọ mạng càng ngắn.
- Nguyên nhân: do nút chủ hoạt động quá nhiều và sẽ chết sớm. Nếu nhiều cụm thì số nút ở xa BS càng nhiều và số nút chủ chết sớm hoặc không hoạt động nữa càng nhiều. Do đó mạng có tuổi thọ kém.
3.4.7. So sánh hiệu năngcác giao thức LEACH, LEACH-C, STAT-CLUSTER,PEGASIS PEGASIS
So sánh hiệu năng của các giao thức với những cấu hình có hiệu năng tốt như giao thức LEACH kích thước cụm là 25 (25% trên tổng số nút), LEACH-C với kích thước
cụm hình thành là 50 (50% trên tổng số nút), stat-cluster với số cụm hình thành ban đầu là 33 (33% trên tổng số nút mạng) và giao thức PEGASIS.
3.4.7.1.Đánh giá số nút sống còn lại theo thời gian và tuổi thọ của mạng
Kết quả hiển thị ở hình 3.12
Hình 3.12. Số nút còn sống trong LEACH, LEACH-C, STAT-CLUSTER, PEGASIS
Nhận xét:
Theo Hình 3.12, tuổi thọ của mạng khi sử dụng giao thức PEGASIS kéo dài hơn rất nhiều so với các giao thức còn lại. Cụ thể:
- Giao thức STAT-CLUSTER có số nút còn sống duy trì trong khoảng 50s đầu và sau đó chết rất nhanh hoặc không hoạt động nữa. Nguyên nhân là do cố định số cụm hình thành và trưởng cụm được cố định từ lúc bắt đầu hoạt động đến hết quá trình hoạt động nên khicác trưởng cụm hết năng lượng thì các nút còn lại cũng không liên kết được thành cụm và không thể truyền thông tin về BS được.
- Tuổi thọ của mạng được cải thiện khi sử dụng giao thức LEACH hoặc LEACH- C. Sự cải thiện này là do LEACH và LEACH-C thực hiện cơ chế nút chủ linh động. Tuy nhiên LEACH-C làm cho mạng có tuổi thọ tốt hơn so với khi dùng LEACH (do LEACH- C ban đầu lựa chọn trưởng cụm là những nút có năng lượng cao hơn mức năng lượng
trung bình của mạng và thiết lập các cụm một cách tối ưu).
- Khi sử dụng giao thức PEGASIS làm tuổi thọ mạng hơn nhiều lần so với sử dụng giao thức khác cho WSNs. Có được điều này là do việc truyền tin được thực hiện giữa các nút liền kề nhau trong cùng chuổi làm cho năng lượng của các nút được cân bằng hơn. PEGASIS khắc phục được nhược điểm của LEACH bỏ tính chất cụm động, tối thiểu khoảng cách truyền, các nút thực hiện sử dụng một lần tập hợp và hợp nhất dữ liệu trước khi truyền về BS. Điều đó làm tăng cần bằng tiêu hao năng lượng.
3.4.7.2.Đánh giá sự thăng giáng của thông lượng đến BS
Kết quảthể hiệnở hình 3.13
Hình 3.13. Sự thăng giáng của thông lượng tại BS trong LEACH, LEACH-C, STAT- CLUSTER, PEGASIS
Nhận xét:
- Nhìn vào hình 3.13 cho thấy: Giao thức PEGASIS gửi dữ liệu về BS ổn định nhất về so với các giao thức còn lại. Xét theo chiều thời gian thì ở giai đoạn đầu, tuy PEGASIS gửi dữ liệu không nhiều hơn so với LEACH-C. Điều này cho thấy PEGASIS có độ trễgửi nhận dữ liệu lớn hơn so với LEACH-C, do số chặng gửi dữ liệu về BS trong LEACH-C là 2, trong khi số chặng gửi dữ liệu về BS trong PEGASIS có thể nhiều hơn 2. Đặc biệt khi kích thước mạng càng lớn thì đỗ trể càng lớn. Trong quá trình hình thành các nhóm trong
LEACH-C thì BS biết được vị và mức năng lượng của các nút trong mạng, từ đó mới hình thành các nhóm trong mạng tốt hơn LEACH (truyền dữ liệu về BSổn định hơn).LEACH truyền dữ liệu về BS không ổn định lắm, mặc dù có lúc rất nhiều nhưng có lúc lại rất ít. Điều này là do có những giai đoạn LEACH phải hình thành cụm và chuyển giao trưởng cụm, còn LEACH-C chỉ cần chuyển giao trưởng cụm theo chu kỳ.
- Cũng trong hình 3.13 thì giao thức STAT-CLUSTER có thời gian hoạt động ít nhất bởi do hạn chế năng lượng của các trưởng cụm, sự áp đặt cố định số cụm hình thành và trưởng cụm của các cụm.
3.4.7.3.Đánh giá sự tiêu hao năng lượng của mạng
Kết quả được hiển thị ở hình 3.14
Hình 3.14. So sánh tiêu tốn năng lượng trong LEACH, LEACH-C, STAT-CLUSTER, PEGASIS
Nhận xét: Từ hình 3.14 ta rút ra kết luận:
- Cả 3 giao thức LEACH, LEACH-C, PEGASISđều sử dụng tối đa năng lượng vốn có (2J/nút = 200J). Riêng giao thức STAT-CLUSTER sử dụng được khoảng hơn 50J (25%). Sự lãng phí này do các trưởng cụm (nút đúng đầu cụm) chết nhanh nên các nút trong các cụm không liên được với nhau nữa.
- Giao thức LEACH-C và LEACH tiêu tốn năng lượng nhanh, còn giao thức PEGASIS tiêu tốnít và đều.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO
Trong luận văn này, tôi đã tiến hành nghiên cứu vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến không dây và đãđạt được các kết quả cụ thể như sau:
Về lý thuyết: Tìm hiểu khái quát về mạng cảm biến không dây, kiến trúc mạng cảm biến không dây, các yêu cầu và các thách thức trong vấn đề định tuyến, cũng như các ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống. Khảo sát các giao thức và trình bày phân loại các cách tiếp cận định tuyến khác nhau cho mạng cảm biến không dây gồm 3 loại chính: trung tâm dữ liệu, phân cấp và dựa vào vị trí. Và một số giao thức theo đuổi theo mô hình QoS.
- Các giao thức trung tâm dữ liệu giảm được chi phí hình thành cụm, sử dụng một số nút đặc biệt. Tuy nhiên, các giao thức này sử dụng kế hoạch đặt tên dùng cặp thuộc tính giá trị có thể không đủ phục vụ các truy vấn phức tạp và yêu cầu của ứng dụng.
- Các giao thức phân cấp thực hiện hiệu quả việc chuyển tiếp dữ liệu về đích. Sử dụng trưởng cụm để tập hợp và tổng hợpdữ liệu để hạn chế số lần truyền và tiêu hao năng lượng toàn cục.
- Các giao thức dựa vào vị trí sử dụng thông tin vị trí của nút cảm biến để định tuyến hiệu quả năng lượng.
Về mô phỏng và đánh giá hiệu năng của một số giao thức cụ thể: Tiến hành nghiêu cứu, tìm hiểu, cài đặt một số công cụ mô phỏng, lựa chọn công cụ mô phỏng NS-2 (version