3 chiều
3.6. Kết quả và đánh giá thực nghiệm
3.6.2. Đánh giá giải pháp tối ƣu năng lƣợng bằng phân cụm mờ
Trong các thực nghiệm giả sử một nút cảm biến hết năng lƣợng thì xem nhƣ mạng cảm biến cũng kết thúc và thực hiện:
a) So sánh mức tiêu thụ năng lƣợng và thời gian chạy của thuật tốn trên các địa hình khác nhau (T1 .. T10).
b) So sánh các thuật tốn với số cảm biến khác nhau trong một địa hình; c) So sánh các thuật tốn với các phân phối cảm biến khác nhau nhƣ Hình 3-2.
d) So sánh các thuật tốn với tỉ lệ số cụm khác nhau (ví dụ 20%, 30% và 40% số cảm biến).
Hình 3-2 Phân phối các cảm biến
Thứ nhất, chúng ta so sánh mức tiêu thụ năng lƣợng và thời gian chạy của các thuật tốn trên các địa hình khác nhau (T1 .. T10) đƣợc mơ tả trong Bảng 3-5, Bảng 3-6, tƣơng ứng. Trong Bảng 3-5, mỗi hàng thể hiện sự tiêu thụ năng lƣợng của các thuật tốn trên một địa hình với các giá trị in đậm cĩ kết quả tốt nhất. Ví dụ, hàng đầu tiên là giá trị kết quả trên địa hình T1. Trên địa hình này, thuật tốn FCM- 3WSN tiêu thụ ít năng lƣợng hơn so với các thuật tốn khác (30,3). Ngoại trừ hai địa hình T4 (phẳng) và T10 (thƣa thớt), điều này cĩ thể đƣợc ghi nhận trên địa hình bằng phẳng mà cĩ nhiều vị trí khơng thể đặt các cảm biến, thuật tốn FCM-3WSN cần phải cân bằng khoảng cách giữa CH với non-CH; giữa các CH với BS nên mức tiêu thụ năng lƣợng của tồn bộ mạng cao hơn thuật tốn FCM, vì thuật tốn FCM chỉ xem xét đến khoảng cách giữa CH với các non-CH. Trên các địa hình khác, việc tiêu thụ năng lƣợng của FCM-3WSN vẫn nhỏ hơn so với các phƣơng pháp khác. Dịng cuối cùng, chúng ta tính giá trị trung bình của các địa hình khác nhau. Nĩ đã đƣợc chứng minh rằng việc tiêu thụ năng lƣợng trung bình của FCM-3WSN là nhỏ nhất trong số tất cả. Kết quả cho thấy rằng năng lƣợng trung bình của FCM-3WSN
là khoảng 17,2% so với Leach, 9,74% (Leach-C), 17,4% (SCEEP), 24,8% (H- Leach), 23,1% (K-Means) và 86,5% (FCM). Nhƣ vậy, FCM-3WSN cĩ mức tiêu thụ năng lƣợng trung bình nhỏ hơn so với các thuật tốn khác.
Bảng 3-5 Năng lượng tiêu thụ của mạng với các thuật tốn khác nhau (joule)
Địa hình
LEACH LEACH-C SCEEP H-LEACH K-Means FCM FCM- 3WSN T1 182.1605 293.9577 155.1244 137.6304 138.2473 38.3427 30.3425 T2 195.1593 155.5144 165.665 124.2704 129.6672 42.4993 33.113 T3 208.515 514.775 186.4928 89.2527 154.2274 32.3017 26.97 T4 164.0123 384.6641 142.9065 163.0057 116.1996 26.1271 27.9184 T5 209.05 240.831 277.0935 137.2845 187.0408 88.0834 57.3456 T6 173.9541 517.2879 194.7668 134.8582 144.514 36.1303 31.6925 T7 212.2433 189.875 239.8329 136.3142 167.1101 37.8542 32.2679 T8 240.9866 451.4969 235.9542 88.8779 175.4182 38.993 34.8709 T9 191.596 234.4039 175.5567 161.3701 134.3548 27.4737 25.4922 T10 152.1676 435.0965 142.8565 169.3404 92.1752 17.6224 33.1909 T.Bình 192.984 341.790 191.624 134.220 143.895 38.542 33.320
Tuy nhiên, thời gian chạy của thuật tốn FCM-3WSN lớn hơn so với các thuật tốn khác. Nhƣ kết quả trong Bảng 3-6, thời gian chạy trung bình của FCM-3WSN là 152 giây, tốt hơn so với FCM (1847 giây). Các thuật tốn khác chạy rất nhanh (~ 0,5 giây) nhƣng cĩ hiệu suất thấp với mức tiêu thụ năng lƣợng nhƣ trong Bảng 3-5. Tuy nhiên, đây là một khuyết điểm của các thuật tốn phân cụm mờ và FCM-3WSN.
Bảng 3-6 Thời gian chạy của thuật tốn
Địa hình LEACH LEACH-C SCEEP H-LEACH K-Means FCM FCM- 3WSN
T1 0.045 0.146 0.048 0.068 0.544 824.307 147.643
T2 0.045 0.081 0.044 0.070 0.598 1450.183 147.566
T3 0.045 0.082 0.043 0.078 0.649 6161.252 147.206
T5 0.045 0.080 0.044 0.067 0.529 886.076 147.537 T6 0.045 0.147 0.044 0.067 0.606 1096.837 147.428 T7 0.045 0.080 0.043 0.070 0.525 2340.588 147.241 T8 0.045 0.146 0.044 0.059 0.477 1290.862 196.464 T9 0.045 0.081 0.044 0.070 0.587 1861.142 147.538 T10 0.045 0.081 0.043 0.078 0.582 1524.249 147.205 T.Bình 0.045 0.1005 0.0441 0.0701 0.5684 1847.1158 152.322
Thứ hai, thực nghiệm so sánh các thuật tốn với các số cảm biến khác nhau
trên một địa hình. Để làm thí nghiệm này, trƣớc hết chúng ta tính tốn mức tiêu thụ năng lƣợng và thời gian chạy của tất cả các thuật tốn trên từng địa hình từ T1 đến T10 với bốn trƣờng hợp (500, 1000, 1500, và 2000 cảm biến). Sau đĩ, nhĩm các kết quả theo địa hình để cĩ mức tiêu thụ năng lƣợng trung bình và thời gian chạy của tất cả các thuật tốn trong bốn trƣờng hợp số cảm biến khác nhau. Mục đích là để quan sát những thay đổi mức tiêu thụ năng lƣợng và thời gian chạy của tất cả các thuật tốn khi số lƣợng của cảm biến tăng lên. Các kết quả thí nghiệm đƣợc trình bày trong Hình 3-3 và Bảng 3-7, tƣơng ứng.
Trong Hình 3-3, mức tiêu thụ năng lƣợng trung bình với 500 cảm biến của thuật tốn FCM-3WSN bằng 27,7% so với Leach, 17,2% LEACH-C, 26,4% SCEEP, 38,5% H-LEACH, 41,4% K-Means và 74,3 % FCM. Điều này cho thấy rằng FCM-3WSN tiết kiệm đƣợc nhiều năng lƣợng so với các giao thức phân cụm truyền thống nhƣ LEACH và LEACH-C. FCM-3WSN cũng tốt hơn so với các phƣơng pháp phân nhĩm K-Means và FCM, nhƣng tỉ lệ phần trăm tiết kiệm là khơng đáng kể nhƣ các thuật tốn khác.
Một lần nữa, khi thử nghiệm với 1000 cảm biến, mức tiêu thụ năng lƣợng của FCM-3WSN với các thuật tốn khác đƣợc so sánh nhƣ sau: 18,5% (Leach), 8,97% (LEACH-C), 16,7% (SCEEP), 24,6% (H-LEACH) 22,7% (K-Means) và 87,5% (FCM). Phải thừa nhận rằng các mức tiêu thụ năng lƣợng của FCM-3WSN tiết kiệm tốt hơn khi số lƣợng của cảm biến tăng lên. Trong tình huống này, tất cả các thuật tốn bao gồm FCM-3WSN mức tiêu thụ năng lƣợng nhiều hơn trong trƣờng hợp 500 cảm biến. Khi thử nghiệm với 1500 cảm biến, mức tiêu thụ năng lƣợng của FCM-3WSN là: 13,3% (LEACH), 6,28% (LEACH-C), 12,5% (SCEEP), 18,4% (H-LEACH), 16,9% (K-Means) và 84,7% (FCM). Hơn nữa, với 2000 bộ cảm biến, mức tiêu thụ năng lƣợng là: 7,21% (LEACH), 4,99% (LEACH- C), 10% (SCEEP), 16,4% (H-LEACH), 12,8% (K-Means) và 74% (FCM). Điều này khẳng định đƣợc hiệu quả của thuật FCM-3WSN là rõ ràng hơn khi triển khai mạng với một số lƣợng lớn của cảm biến.
Tƣơng tự nhƣ các kết quả trong Bảng 3-6, thời gian chạy của FCM-3WSN trong Bảng 3-7 cũng lớn hơn các thuật tốn khác. Rõ ràng số cảm biến này càng nhiều hơn , thì thời gian thực hiện của các thuật tốn cũng lớn hơn. Ví dụ, thời gian chạy của FCM-3WSN trong trƣờng hợp 500, 1000, 1500 và 2000 cảm biến là 12,5, 152, 811, và 2704,51 giây. Nhƣ vậy nếu chọn 1000 cảm biến thì sẽ cân bằng giữa thời gian chạy và mức tiêu thụ năng lƣợng.
Bảng 3-7 Thời gian chạy trung bình của các thuật tốn với số cảm biến khác nhau
Số cảm biến
LEACH LEACH-C SCEEP H-LEACH K-Means FCM FCM- 3WSN
500 0.019 0.032 0.019 0.029 0.130 33.239 12.538
1000 0.045 0.101 0.044 0.070 0.568 1847.116 152.322
1500 0.086 0.225 0.084 0.134 1.383 1816.295 811.188
2000 0.14341 0.41592 0.1385 0.22577 2.65285 7182.866 2704.51
Thứ ba, chúng ta so sánh các thuật tốn với cách phân phối các cảm biến
khác nhau (Hình 3-2). Tƣơng tự nhƣ các thử nghiệm trƣớc đĩ, việc tính tốn tiêu thụ năng lƣợng và thời gian chạy của tất cả các thuật tốn trên từng địa hình từ T1 đến T10 theo năm trƣờng hợp của các phân phối cảm biến (Gaussian, Poisson, Uniform, Gamma và Beta). Các kết quả đƣợc tĩm tắt bằng cách tính giá trị trung bình của địa hình nhƣ trong Hình 3-4 và Bảng 3-8.
Hình 3-4 Năng lượng tiêu thụ trung bình với các phân phối cảm biến khác nhau (joule)
Các kết quả thí nghiệm trong Hình 3-4 chỉ ra rằng mức tiêu thụ năng lƣợng
của FCM-3WSN ít hơn so với những thuật tốn khác bằng cách phân phối cảm biến khác nhau. Ví dụ, năng lƣợng tiêu thụ trung bình của FCM-3WSN với phân phối Gaussian là 20,7 trong khi những thuật tốn khác là 387 (Leach), 860 (LEACH-C), 394 (SCEEP), 384 (H-LEACH), 309 (K -Means) và 29,6 (FCM). Trong phân phối này, chỉ cĩ 2 trƣờng hợp, mức tiêu thụ năng lƣợng của FCM-3WSN khơng phải là
nhỏ nhất (địa hình T5 và T10). Các thuật tốn khác tiêu thụ nhiều năng lƣợng hớn với cách phân phối này.
Tuy nhiên, khi thực hiện thuật tốn FCM-3WSN trên phân phối Poisson, Uniform và Gamma, mức tiêu thụ năng lƣợng trung bình tăng lên đến 47,9, 46,3 và 62 tƣơng ứng. Chỉ trong phân phối Beta, năng lƣợng tiêu thụ của FCM-3WSN đƣợc giảm xuống cịn 19,3. Điều này cho thấy rõ ràng rằng FCM-3WSN hoạt động hiệu quả với các phân phối cảm biến nhƣ Gaussian và Beta. Tuy nhiên, ngay cả trong các phân phối đặc biệt nhƣ Poisson, Uniform và Gamma, mức tiêu thụ năng lƣợng trung bình của FCM-3WSN vẫn cịn tốt hơn so với các thuật tốn khác. Hình 3-4 chứng minh rằng năng lƣợng tiêu thụ của FCM-3WSN với phân phối Poisson bằng 10,2% (LEACH), 31,1% (LEACH-C), 10% (SCEEP), 11% (H-LEACH), 15,5% (K- Means) và 70% (FCM). Tƣơng tự, năng lƣợng tiêu thụ của FCM-3WSN với phân phối Uniform bằng 16,8% (LEACH), 16,6% (SCEEP), 17,9% (H-LEACH) và 24,3% (K-Means). Trong phân phối này, việc tiêu thụ năng lƣợng trung bình của Leach-C và FCM là tốt hơn so với FCM-3WSN. Đối với phân phối Gamma, năng lƣợng tiêu thụ của FCM-3WSN bằng 18,8% (Leach), 19,3% (SCEEP), 20,3% (H- LEACH) và 26,4% (K-Means). Cuối cùng, năng lƣợng của FCM-3WSN với phân phối Beta bằng 9,68% (LEACH), 2,23% (LEACH-C), 9,98% (SCEEP), 9,97% (H- LEACH), 12,4% (K-Means) và 65,3% (FCM).
Tuy nhiên, trong phân phối Uniform và Gamma mức tiêu thụ năng lƣợng của thuật tốn FCM-3WSN khơng phải là nhỏ nhất nhƣng sự biến động của năng lƣợng tiêu thụ trong FCM-3WSN với các phân phối khác nhau của cảm biến là tƣơng đối nhỏ.
Bảng 3-8 cung cấp thời gian chạy của thuật tốn với cách phân phối khác nhau. Nĩ vẫn cịn thể hiện rằng hai thuật tốn cĩ mức tiêu thụ năng lƣợng thấp nhất của tất cả các phân phối (FCM và FCM-3WSN) và thời gian thực hiện trung bình khá lớn là 289 và 609 giây, tƣơng ứng. Điều này là dễ hiểu vì các thuật tốn phải chịu nhiều sự tính tốn. So sánh với các kết quả tƣơng đƣơng trong Bảng 3-7, Bảng 3-8 nhận ra rằng thời gian tính tốn trung bình của FCM-3WSN trong trƣờng hợp
này là lớn hơn thời gian trung bình với 1000 cảm biến (152). Tuy nhiên, thời gian của FCM-3WSN là khá ổn định qua các phân phối khác nhau. Việc phân phối cảm biến đƣợc đề nghị là Uniform với thời gian xử lý nhỏ nhất cho FCM-3WSN.
Bảng 3-8 Thời gian chạy trung bình của các thuật tốn với các phân phối cảm biến
Phân phối LEACH LEACH-C SCEEP H-LEACH K-Means FCM FCM- 3WSN Gaussian 0.043 4.347 0.043 0.072 0.513 734.646 366.952 Poisson 0.044 0.503 0.042 0.069 1.082 466.444 266.673 Uniform 0.043 2.062 0.043 0.069 0.812 764.237 245.880 Gamma 0.046 2.567 0.043 0.069 0.777 595.417 249.089 Beta 0.045 2.537 0.044 0.073 0.564 485.194 317.804 T.Bình 0.0442 2.4032 0.043 0.0704 0.7496 609.187 289.279
Cuối cùng, chúng ta so sánh các thuật tốn với các tỉ lệ số cụm khác nhau (ví dụ 20%, 30% và 40% số các cảm biến). Việc tiêu thụ năng lƣợng trung bình và thời gian tính tốn đƣợc thể hiện trong Hình 3-5, Bảng 3-9 tƣơng ứng.
Hình 3-5 cho thấy rằng mức tiêu thụ năng lƣợng trung bình của FCM- 3WSN trong mọi trƣờng hợp với số lƣợng các cụm luơn nhỏ hơn so với các thuật tốn khác. Hai thuật tốn đĩ cĩ mức tiêu thụ ít gần bằng FCM-3WSN là FCM và H-Leach. Tuy nhiên, những kết quả vẫn lớn hơn hai lần so với FCM-3WSN. Cuối cùng, tƣơng tự nhƣ Bảng 3-8 cho thấy số lƣợng cảm biến cũng nhƣ tăng số lƣợng các cụm càng tăng, thì thời gian tính tốn của thuật tốn cũng tăng đặc biệt Bảng 3-9 lần nữa khẳng định những điểm yếu của FCM-3WSN liên quan đến thời gian xử lý.
Bảng 3-9 Thời gian chạy trung bình các thuật tốn với số cụm khác nhau
Tỉ lệ cụm
LEACH LEACH-C SCEEP H-LEACH K-Means FCM FCM- 3WSN
10% 0.045 0.101 0.044 0.070 0.568 1847.116 152.322 20% 0.067 0.133 0.068 0.105 0.865 1977.350 1999.545 30% 0.070 0.137 0.085 0.126 1.235 3306.267 10344.714 40% 0.099 0.216 0.095 0.143 1.570 3454.225 29582.900