Chương 3: MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY CHO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN HÒA BÌNH
3.4: Phân cụm trong mạng cảm biến không dây
3.4.2: Phân cụm phân cấp các nút mạng cảm biến với năng lƣợng tiêu thụ nhỏ
a) b)
Hinh 3.9: a): Các cụm đƣợc hình thành tại thời điểm (t).
b): Các cụm đƣợc hình thành tại thời điểm (t+1).
Trên (Hình 3.9) cho thấy ở thời điểm t, nút C đƣợc chọn là nút chính vì có năng lƣợng cao, nhƣng đến thời điểm t + 1 nút C1 lại đƣợc chọn là nút chính bởi vì năng lƣợng còn lại của nó cao hơn các nút khác.
Vấn đề đặt ra ở đây là, hệ thống mạng cảm biến có bao nhiêu cụm là tối ƣu, điều đó phụ thuộc vào các thông số ví dụ nhƣ: cấu hình mạng, hay chi phí tương đối của các tính toán cũng như quá trình truyền thông.
61
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Ở đây giao thức định tuyến phân cấp cho truyền thông dựa trên thuật toán phân cụm, với việc truyền dữ liệu trên tầng mạng chúng ta sử dụng LEACH trong truyền dữ liệu phân cấp thông qua việc chọn nút chủ trong cụm sao cho đường tới trạm (trạm gốc) là ngắn nhất.
Do theo các cụm đƣợc hình thành theo vị trí địa lý, thông qua kích cỡ các cụm cũng nhƣ vị trí trong không gian mạng, sự hình thành 2 cụm hay hình thành 3 cụm thể hiện là các mức khác nhau trong sơ đồ phân cấp. Chúng ta có thể xem xét thuật toán nhƣ sau:
Thuật toán tạo cụm chủ và truyền dữ liệu đến trạm gốc 1. Tạo các cụm theo vòng địa lý.
2. Chọn nút mạng chủ trong mỗi cụm đã đƣợc tạo ở 1.
3. Thu thập dữ liệu và tích hợp dữ liệu của cụm chủ từ các nút thành viên.
4. Tích hợp dữ liệu và truyền nút chủ gần nhất tới trạm gốc (xem hình 3.10).
Thuật toán chọn nút chủ trong cụm.
1. Xác định năng lƣợng El(u) của các nút.
2. Xác định khoảng cách d(l) từ nút đó tới trạm gốc hoặc đến các nút chủ của cụm có năng lƣợng cao.
3. Ƣớc lƣợng năng lƣợng cần thiết của mỗi nút cho truyền dữ liệu Eamp.k.d2
4. Ƣớc lƣợng năng lƣợng tối đa sau các vòng truyền cho mỗi nút và chọn nút chủ (CH) theo công thức El(u) = Eamp.k.d2 và nút chủ tiếp theo sẽ đƣợc chọn khi vòng xử lý hoàn tất, thuật toán có thể xem (Hình 3.11):
62
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Bắt đầu.
Xét các nút cảm biến triển khai.
Tạo cụm cảm biến với kích cỡ m; với m là số nguyên.
Đƣa số vòng cần thực hiện cho vòng lặp Count =0; i=1 trong đó x là một số nguyên = 0
Chọn cụm chủ trên cơ sở dự báo năng lƣợng và khoảng cách ngắn nhất đểnchạm gốc(BS)
i = i + 1
Tập hợp dữ liệu từng giai đoạn
Là i>m
Truyền dữ liệu từng giai đoạn
Count= x?
Hiển thị thời gian sống, năng lƣợng còn lại,
phân chia cụm ,...,.
Kết thúc.
count = count + 1
N
63
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.10. Sơ đồ thuật toán đề xuất kỹ thuật định tuyến phân cấp (Hình 3.10) Sơ đồ thuật toán đề xuất kỹ thuật định tuyến phân cấp và (Hình 3.11) sơ đồ thuật toán chọn nút chủ trong cụm trong kỹ thuật định tuyến phân cấp.
Ức lƣợng Jmax(i)= max(prad(1), pred(2),...., pred(n))
Gán CH(i)= Jmax(i)
Quá trình xác định trước năng lượngcho bước tiếp theo (tức là i = i + 1) trên( hình 3.9)
Tính năng lƣợngEi(nút(j))
Xác định Min{d(nút(j))} đến nút chủ(BS) với {Hoặc CH tiếp theo(m-1), nếu m không phải bằng 1}
Ƣớc lƣợng pred(j) =Ei(nút(j)-Eamp*Min{d(node(j)))}
Là j = n ? j=j+1
Quy trình xác định trước, từ giai đoạn khởi đầu trong (hình 3.9)
n = 50 j = 1
Là nút (j) ϵm ? Pred(j)=0
J = J + 1
N
64
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.11. Sơ đồ thuật toán chọn nút chủ trong cụm
3.5: Mô phỏng quá trình phân cụm và chọn cụm chủ
Quá trình mô phỏng đƣợc thực hiện trên mạng cảm biến với 50 nút mạng, lắp đặt trong không gian làm việc của phòng đặt turbin 300 x 300m. Trên (Hình 3.12) thể hiện lắp đặt 50 nút.
Các nút này có các giả thiết nhƣ sau:
- Các nút mạng là đồng nhất.
- Các nút làm việc với năng lƣợng ban đầu là nhƣ sau.
- Trạm gốc ở tọa độ (0,0) trong không gian làm việc
- Các cụm và các nút giả thiết là tĩnh phải là nút chủ sẽ truyền thông đến nút chủ trong cụm.
- Các nút không phải là nút chủ sẽ truyền thông đến nút chủ chong cụm - Các nút sử dụng định tuyến multihop để truyền thông đến trạm gốc.
65
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.12. Các nút mạng cảm biến đƣợc lắp đặt trong hầm turbin theo hình vẽ
Các thông số ban đầu trên (Bảng 3.1)
Thông số Giá trị
Tổng số các nút cảm biến 50
Năng lƣợng ban đầu cho mỗi nút là Eim(n) 300 Joules Độ lớn bản tin (k) tính bằng byte 200
Tổn thất năng lƣợng của mạch 50
Hệ số khuếch đại Eamp 100
Trạm gốc có tọa độ (0,0)
Tất cả đều đƣợc để trong một cụm nhƣ những hình sau:
Hình 3.13a. Các nút mạng cảm biến trong hầm turbin không phân cụm
66
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.13b. Miêu tả thời gian sống của các nút mạng qua 300 vòng thiết lập cụm
Hình 3.13c. Miêu tả năng lƣợng còn lại trung bình trên mạng
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Graph Illustrating the Network Life Time
SO VONG
SO NUT CON SONG
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
DINH DANH VE CAC NUT TRING MANG
NANG LUONG CON LAI TINH THEO J (Joules)
DO THI BIEU DIEN NANG LUONG CON LAI O NUT
NANG LUONG CON LAI TREN MOI NUT NANG LUONG CON LAI TRUNG BINH
67
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Chúng ta có thể thực hiện mô phỏng theo phân chia các nút mạng theo 2 cụm trên sau đây và đƣợc mô phỏng cụ thể nhƣ sau.
Hình 3.14a. Các nút mạng cảm biến trong hầm turbin đƣợc chia thành 2 cụm
68
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.14b. Thời gian sống của mạng
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
BIEU DO BIEU DIEN THOI GIAN SONG CUA MANG
SO VONG
SO NUT CON SONG
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
DINH DANH VE CAC NUT TRING MANG
NANG LUONG CON LAI TINH THEO J (Joules)
DO THI BIEU DIEN NANG LUONG CON LAI O NUT NANG LUONG CON LAI TREN MOI NUT
NANG LUONG CON LAI TRUNG BINH
69
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.14c. Năng lƣợng còn lại của các nút Các nút mạng phân ra thành 3 cụm
Hình 3.15.a. Các nút mạng cảm biến trong hầm turbin đƣợc chia thành 3 cụm
s
Hình 3.15.b. Thời gian sống của các nút mạng
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
BIEU DO BIEU DIEN THOI GIAN SONG CUA MANG
SO VONG
SO NUT CON SONG
70
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.15.c. Năng lƣợng các nút mạng và giá trị trung bình của nó Nhƣ vậy trên các (Hình 3.13, 3.14 và 3.15) quan sát cho số lần lặp cho quá trình không phân cụm, phân cụm, phân cấp mức 1 là (2 cụm), phân cụm phân cấp mức 2 là (3 cụm) có thể thực hiện tăng lên các vòng lặp từ 120 đến 180 và 330.
Thời gian sống của các nút tăng lên đến 330 vòng thực hiện. Cùng trên ba hình đó cho thấy dự trữ năng lƣợng tăng lên đáng kể, chúng ta có thể tổng kết nhƣ sau:
Bảng 3.2 cho thấy năng lượng cho từng trường hợp.
Khoảng năng lƣợng biến thiên
của 1 nút (J)
Giá trị trung bình năng lƣợng còn lại
của 1 nút (J)
Năng lƣợng còn lại của 1 nút (J)
Không phân cụm 21.7008 8.1270 7.4039
Phân cấp mức 1 29.7538 13.1414 11.7406
Phân cấp mức 2 48.5569 43.9161 38.5569
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
DO THI BIEU DIEN NANG LUONG CON LAI O NUT NANG LUONG CON LAI TREN MOI NUT
NANG LUONG CON LAI TRUNG BINH
71
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Trong (Bảng 3.2) cho thấy năng lƣợng còn lại khi sử dụng các mức phân cấp mức 1 và 2 tăng lên đáng kể.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Sau một thời gian em nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, đây là một hệ thống mạng rất quan trọng, có nhiều ứng dụng nhằm tập trung ngiên cứu với một đề tài mới và có nhiều ứng dụng trong thực tiễn nhƣ hiện nay Luận văn đã thể hiện và thực hiện đƣợc các vấn đề sau:
- Trình bày khái quát mạng cảm biến không dây và bài toán định tuyến.
- Một số kỹ thuật định tuyến trong mạng cảm biến không dây.
- Cài đặt thử nghiệm, mô phỏng hệ thống mạng cảm biến không dây cho nhà máy thủy điện Hòa Bình.