Cải thiện thuật toán phân cụm hiệu quả năng lượng phân tán để tiết kiệm thời gian tồn tại cho wsn không đồng nhất

Khi chúng đi từ các hướng đầu tiên đến các thuậttoán phân cụm gần đây nhất trong WSN không đồng nhất, Nó bao gồmcác tính năng chính của nó trong việc lựa chọn CH, hình thành cụm,cũng như

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ II

BÁO CÁO MÔN HỌC

MẠNG CẢM BIẾN

NIÊN KHÓA: 2017 – 2022

CẢI THIỆN THUẬT TOÁN PHÂN CỤM HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG PHÂN TÁN

ĐỂ TIẾT KIỆM THỜI GIAN TỒN TẠI CHO

1.Giới thiệu

Ngày nay, mạng cảm biến không dây đang hoạt động dựa trêntruyền thông, cảm biến, lưu trữ năng lượng và điện toán công suất thấp.Các kỹ thuật phân cụm được thực hiện để WSN hoạt động hiệu quảhơn Nó làm tăng mức tiêu thụ điện năng của mạng cảm biến và do đókéo dài tuổi thọ LEACH của Heinzelman và cộng sự [1] là một giaothức dựa trên kỹ thuật phân cụm đầu tiên, trong đó các Cluster Heads (CH) được chọn một cách ngẫu nhiên Vai trò chính của CH [2], [3] làcung cấp thông tin liên lạc dữ liệu giữa các nút cảm biến và các trạmgốc hiệu quả.Do đó, Cluster Heads nên có quyền lực cao hơn các nútkhác, để nó thực hiện việc thu thập dữ liệu.Các cải tiến khác được đềxuất cho LEACH là DEEC [4], DDEEC [5], TDEEC [6], EDEEC [7],EDDEEC [8], BEENISH [9] là các thuật toán phân cụm trong đó các cụm

được chọn dựa trên xác suất của tỷ lệ năng lượng còn lại và công suấttrung bình của mạng Khi chúng đi từ các hướng đầu tiên đến các thuậttoán phân cụm gần đây nhất trong WSN không đồng nhất, Nó bao gồmcác tính năng chính của nó trong việc lựa chọn CH, hình thành cụm,cũng như một số vấn đề hạn chế trong đó các thuật toán chỉ xem xétcác tùy chọn CH dựa trên mức năng lượng chưa chưa được coi làkhoảng cách trung bình giữa các nút đến trạm gốc và các CH củachúng, mục đích của chúng là cân bằng năng lượng giữa các nút gần vàcác nút xa từ khoảng cách trung bình của một nút đến CH của chúngcũng như BS Điều này thúc đẩy chúng tôi giới thiệu một thuật toán địnhtuyến dựa trên phân cụm mới trong mạng WSN không đồng nhất.

Trong bài báo này, giao thức của chúng tôi đã đề xuất một cải tiến dựatrên hai giao thức: BEENISH và DEEC Ý tưởng chính là vẫn dựa trên tỷ

lệ giữa năng lượng còn lại và năng lượng trung bình của toàn mạngtrong vòng hiện tại đối với từng loại nút không đồng nhất để xây dựngxác suất chọn một nút trở thành CH như các giao thức trên

Tuy nhiên, giao thức được đề xuất sẽ thêm thành phần ước lượngkhoảng cách vào xác suất lựa chọn CH cũng như thêm thành phần ướclượng năng lượng còn lại để xác định ràng buộc cho một nút trong quátrình phân cụm Giao thức được đề xuất này bao gồm bốn mức khôngđồng nhất với bốn kiểu nút khác nhau (nút thường, nút nâng cao, nútsiêu cấp và cực siêu) với các mức công suất khác nhau, quá trình lựachọn các cụm từ các nút có công suất cao hơn và khoảng cách đếntrạm gốc ngắn hơn Giao thức được đề xuất kéo dài thời gian tồn tại củamạng, thông lượng, đặc biệt là thời gian ổn định, bằng thuật toán phâncụm có mái che đồng nhất Kết quả mô phỏng cho thấy giao thức được

đề xuất đạt được thời gian tồn tại, thông lượng và thời gian ổn địnhmạng lâu hơn BEENISH trong môi trường không đồng nhất bốn cấp độ

Bài viết được bố cục như sau: Phần 1: Giới thiệu, Phần 2 trình bày cácvấn đề nghiên cứu liên quan; Phần 3 là giao thức đề xuất, tiếp theo làphần 4: Mô phỏng thuật toán đề xuất; Phần cuối cùng là kết luận

2.Các vấn đề nghiên cứu liên quan

Có rất nhiều thuật toán phân cụm trong WSN Trong phần này,chúng tôi sẽ chỉ xem xét các thuật toán DEEC, DDEEC, TDEEC,

EDDEEC và BEENISH chính mà nó liên quan trực tiếp đến đề xuất củachúng tôi Qing và cộng sự [4] đề xuất một giao thức DEEC dựa trên ýtưởng của Leach Đặc điểm của giao thức này là chọn các CH bằngcách tiếp cận dựa trên xác suất để ước tính tỷ lệ năng lượng còn lại củamỗi nút và công suất trung bình của toàn mạng.

Trong DEEC, các CH được chọn theo xác suất dựa trên tỷ lệ giữa nănglượng còn lại của mỗi nút và năng lượng trung bình của toàn bộ mạngsau đó Xác suất cho các nút bình thường và nút trước được tính theocông thức [2.1] [4]

Phương trình (2.1) Công thức tính xác suất chọn CH trong giao thức DEEC

Ei (r) là năng lượng còn lại của nút 'Si' trong vòng 'r'

Ē (r) là năng lượng trung bình trong vòng 'r' của toàn mạng được tínhtheo công thức (2.2)

• R: Tổng số vòng của mạng được cho bởi công thức (2.4) [4]:

Phương trình (2.4) Công thức tính tổng số vòng của một mạng

Trong đó:

• Etotal: được tính theo công thức (2.3)

• Eround: Tổng năng lượng tiêu thụ trong vòng hiện tại được tínhtheo công thức (2.5) [4]:

Phương trình (2.5) Công thức tính tổng năng lượng tiêu thụ trong chu kỳ hiện tại

Trong đó:

• L: Độ dài bit của gói tin

• k: Số CH

• dtoBS: Khoảng cách trung bình giữa CH và BS

• dtoCH: Khoảng cách trung bình giữa nút thành viên và CH của nó

• DtoBS và dtoCH được tính theo công thức (2.6) [4]:

Phương trình (2.6) Công thức tính khoảng cách giữa CH và BS

Theo đó, các nút có năng lượng dư cao sẽ trở thành CH thường xuyênhơn các nút công suất thấp Kết quả mô phỏng cho thấy DEEC có tuổithọ cao hơn giao thức LEACH trong môi trường không đồng nhất

Hạn chế của giao thức này là năng lượng trung bình được ước tính tỷ lệnghịch với năng lượng tiêu thụ trong mỗi vòng lặp Đây là một hạn chếtrong việc ước lượng mô hình của DEEC

Giao thức (DDEEC) [5] rất giống với DEEC Sự khác biệt giữa hai nútnày nằm ở biểu thức xác định xác suất để các nút bình thường và núttrước trở thành một CH Sau một số vòng truyền dữ liệu, các nút trước

có cùng năng lượng với các nút bình thường Trong giai đoạn này,DEEC tiếp tục trừng phạt các nút trước vì xác suất được chọn cho cácnút trước cao hơn các nút bình thường, đây không phải là phương pháptối ưu, vì vậy các nút trước sẽ chết nhanh hơn các nút bình thường Đểtránh sự mất cân bằng này, DDEEC đưa ra ngưỡng năng lượng còn lại.Khi mức năng lượng của các nút trước và nút bình thường giảm xuốngdưới ngưỡng này, cùng một xác suất được sử dụng cho tất cả các núttrở thành CH, làm cho quá trình chọn CH hiệu quả hơn.

TDEEC [6] sử dụng cùng một quy trình chọn CH và ước tính nănglượng trung bình như trong DEEC Khi bắt đầu mỗi vòng, các nút quyếtđịnh trở thành CH bằng cách chọn một số ngẫu nhiên từ 0 đến 1 Nếu

số được chọn thấp hơn ngưỡng T (các), nút sẽ trở thành CH cho vòng

đó Kết quả mô phỏng cho thấy giao thức EDEEC và TDEEC tốt hơnDEEC

Parul Saini và Ajay K Sharma đã đề xuất giao thức EDEEC [7] sử dụng

khái niệm ba mức độ không đồng nhất trong WSN Nó bao gồm ba loạinút - bình thường, trước và siêu dựa trên năng lượng ban đầu EDEECkết hợp các giá trị xác suất khác nhau cho các nút bình thường, nângcao và siêu nút

Năm 2013, N Javaid et al đề xuất cải tiến giao thức EDDEEC [8] [9]

[10] dựa trên DDEEC và giao thức EDEEC Sự khác biệt giữa EDDEEC

và DDEEC là nó sử dụng ba mức độ không đồng nhất trong WSN thôngqua ba loại nút đã được giới thiệu trong EDEEC Mặt khác, tham số ctrong công thức tính xác suất chung cho tất cả các nút khi các nút vàmức siêu năng lượng trước giảm xuống ngưỡng Tabsolute là c≈0.025không giống như c≈0.02 trong DDEEC

Cũng trong năm 2013 N Javaid et al tiếp tục tạo ra một giao thức mới

BEENISH [11] dựa trên giao thức EDEEC Sự khác biệt duy nhất là nó

bao gồm bốn loại nút - bình thường, trước, siêu siêu và siêu siêu dựatrên năng lượng ban đầu BEENISH kết hợp các giá trị xác suất khácnhau cho các nút bình thường, nút tiến, nút siêu và siêu siêu để tăngtính không đồng nhất trong WSN Xác suất của các nút cực siêu, siêusiêu, nút tiến và nút bình thường trở thành CH được cho dưới đây: [14]

Kết quả cho thấy giao thức này cải thiện đáng kể tính ổn định, hiệu quảnăng lượng và kéo dài tuổi thọ mạng Nhìn chung, hầu hết các thuậttoán phân cụm dựa trên WSN không đồng nhất đã được phát triển vàcải tiến với mục đích chính là kéo dài tuổi thọ, tăng cường độ ổn địnhmạng và tối ưu hóa kiểm soát luồng Đó cũng là mục tiêu mà bài báocủa chúng tôi muốn giải quyết để đề xuất những cải tiến cho giao thứccủa nó

3 Đề xuất các giao thức mạng

Dựa trên các thuật toán phân cụm kế thừa WSN, chúng tôi đã xâydựng một thuật toán định tuyến dựa trên các giao thức [8] [9] [10] [11][12] [13] dựa trên tỷ lệ giữa năng lượng còn lại và năng lượng trung bìnhcủa toàn bộ mạng trong vòng hiện tại cho mỗi loại nút không đồng nhất

để xây dựng xác suất để chọn một nút trở thành CH Tuy nhiên, giaothức được cải tiến sẽ thêm thành phần khoảng cách ước lượng vào xácsuất lựa chọn CH cũng như thêm thành phần ước lượng năng lượngcòn lại để xác định ràng buộc cho một nút trong quá trình phân cụm.Mục tiêu chính của giao thức này là giảm tiêu thụ điện năng tổng thểcủa mạng và kéo dài tuổi thọ mạng

3.1 Quá trình điều chỉnh

Trước hết, xem xét mức độ không đồng nhất trong mạng,giao thức đề xuất sẽ vẫn ở mức 4, bao gồm bốn loại nút bìnhthường, nâng cao, siêu siêu, siêu siêu với bốn mức năng lượngban đầu khác nhau, theo hiểu biết của các tác giả [11] đã hiển thị,nhưng thay vào đó giao thức được đề xuất sẽ cải thiện mức độhình thành các cụm cũng như các thành phần bổ sung để ước tínhkhoảng cách trong quá trình tính toán xác suất chọn CH

Tương tự như giao thức trên, mỗi nút sẽ chọn một số ngẫu nhiêntrong phạm vi (0,1) Nếu con số này thấp hơn giá trị ngưỡng củanút si, thì nó sẽ trở thành nút CH Dựa trên giao thức của các tác

giả [14] đã đề xuất đưa vào các cải tiến giao thức nhằm cải thiệnngưỡng Ts của các giao thức dựa trên tính không đồng nhất màWSN đã xây dựng trước đó với kỳ vọng rằng các nút có nănglượng còn lại sẽ có cơ hội trở thành cao hơn nhiều CH hơn bằngcách thêm các thành phần để ước tính năng lượng còn lại của mộtnút si, dựa trên tỷ lệ Ei/Eo Công thức tính ngưỡng CHs trongLeach protoccol sẽ được xây dựng lại trong công thức (3.1)

3.1 Công thức ngưỡng cho tùy chọn CH của giao thức được đề xuất

là năng lượng còn lại của nút si trong vòng hiện tại và năng lượng

Eo là pháp tuyến ban đầu của nút Pi được định nghĩa riêng biệtcho từng nút tùy thuộc vào mức độ không nhất quán, đây là 4

Xác suất để chọn CH được sửa đổi trong giao thức được đề xuấtbằng cách đưa vào thành phần ước lượng khoảng cách so với [1].Giả sử rằng, chúng ta có dcurrent là khoảng cách thực tế từ nút đến

công thức [2.6] Sau đó , chúng tôi đã biết rằng, Khoảng cách trung bình

từ bất kỳ nút nào đến BS theo Hình 1 bên dưới:

Hình 1 Khoảng cách trung bình từ bất kỳ nút nào đến BS

Chúng tôi có công thức để tính khoảng cách trung bình từ bất kỳ nút nào đến BS:

(3.3) Công thức tính Khoảng cách trung bình từ bất kỳ nút nào đến BS

Dựa trên độ nhạy sáng, chúng tôi đã ấn định khoảng cách của các nútgần và nút ở xa từ trạm gốc như trong Hình 3.2

(3.5) Công thức tính xác suất cải thiện khi d current <= d average với các điều kiện E i (r) <=

T absolute trong giao thức được đề xuất

Ngược lại, nếu dcurrent > daverage thì xác suất chọn một nút trở thành CH sẽđược tính theo công thức như [8] cho 4 loại nút không đồng nhất

Nếu Ei (r) > Tabsolute thì

(3.6) Công thức tính xác suất khi d current <= d average với điều kiện

E i (r)>T absolute trong giao thức được đề xuất [8]

Nếu Ei (r) <= Tabsolute thì

(3.7) Công thức tính xác suất d current <= daverage với điều kiện

Ei (r) <= Tadsolute trong giao thức được đề xuất [8]

Với Tadsolute = z.E0 [8]

3.2 Bước của thuật toán được đề xuất

Bước 1: Tính năng lượng hiện tại của nút i (Ei ), năng lượng của vòng dòng (E r) theo công thức (2.5) và khoảng cách trung bình của một nút bất kỳ đến BS (d trung bình) theo công thức (3.3 )

Bước 2: Ước tính năng lượng trung bình của toàn mạng trong vòng hiện tại

Bước 4: Xem xét nút CH đã chọn đã được CH hay chưa Nếu không, hãy

chọn nút này làm CH cho vòng tiếp theo và chuyển sang bước 5, ngược lại nếu nút được chọn đã thực hiện CH trong vòng trước, thì nút sẽ trở thành thành viên của cụm và kết thúc quá trình lựa chọn CH.

Bước 5: Chọn một số ngẫu nhiên từ 0 đến 1 Sau đó so sánh số này với giá

trị ngưỡng (dựa trên công thức cải tiến (3.1)) Nếu số ngẫu nhiên <= T • ‚thì nút i này

sẽ là CH và việc chọn CH sẽ kết thúc, ngược lại nếu số ngẫu nhiên r> T •‚ thì nút i trở thành nút thành viên của cụm và kết thúc việc chọn CH quá trình.

Dựa trên sơ đồ do các tác giả [8] [15] đưa ra Chúng tôi đã tiến hành xây dựng một bản đồ cải tiến như sau:

Hình 3 Sơ đồ khối cho các giao thức EDEEC, EDDEEC, BEENISH, Các giao thức được đề xuất cho quá trình lựa chọn CH.

4 Mô phỏng và đánh giá

4.1 Mô hình mạng

Mô hình mạng được sử dụng bao gồm N (100) nút trong trường mạng MXM (100m x 100m) Đối với bốn loại cảm biến, bao gồm Normal, Advance, Super, Ultra-super, được triển khai ngẫu nhiên để chứng minh sự không đồng nhất trong mạng cảm biến với BS nằm ở trung tâm của trường cảm biến tọa

độ (50, 50) Như trong Hình 4.

Trong mô hình mạng, một số giả định đã được thực hiện đối với các nút cảm biến cũng như cấu trúc mạng Theo đó, các giả định và thuộc tính của mạng và các nút cảm biến như sau:

• Các nút cảm biến được triển khai ngẫu nhiên thống nhất trong mạng.

• Có một trạm gốc nằm ở trung tâm của trường cảm biến.

• Các nút luôn có dữ liệu để gửi đến trạm gốc.

• Các nút không nhận dạng được vị trí, tức là không được trang bị

ăng-ten GPS.

• Tất cả các nút đều có khả năng tương tự nhau về xử lý và truyền

thông.

Điều này thúc đẩy nhu cầu kéo dài tuổi thọ của mọi cảm biến.

• Các nút cảm biến có năng lượng không đồng nhất, có nghĩa là các

mức năng lượng khác nhau.

Tất cả các nút có năng lượng ban đầu khác nhau; Một số nút được

trang bị nhiều năng lượng hơn các nút bình thường

4.2 Các thông số của thuật toán được đề xuất

Tích hợp năng lượng điện thu phát, E elec 50 nJ/bit

Dữ liệu tích hợp năng lượng, E DA 5nJ/bit

Truyền năng lượng tín hiệu, E fs nếu dt oBS < d 0 10 pJ/bit/m 2

Truyền năng lượng tín hiệu, E amp nếu d toBS < d 0 0.0013 pJ/bit/

Năng lượng cho siêu nút, b 2.5

Công suất ban đầu cho các nút bình thường (Joules) 0.5

4.3 Tiêu chí đánh giá hiệu suất

Các chỉ số hiệu suất được sử dụng để đánh giá các giao thức là: Stability Time, Network Lifetime và The number of packets are sent to BS

• Stability Time: sự ổn định theo thời gian, chúng tôi muốn nói chuyện vòng rằng nút đầu tiên hoặc vòng từ mạng đầu tiên hóa cho đến khi nút đầu tiên chết.

• Network Lifetime: Tuổi thọ mạng, số vòng trung bình của tất cả các nút chết hoặc khởi tạo vòng từ mạng cho đến khi tất cả các nút bị chết.

• The number of packets are sent to BS: Theo số liệu này, chúng tôi đề cập đến tổng số gói được gửi trực tiếp đến BS từ kênh CHS hoặc không phải nút CH.

4.4 Kịch bản mô phỏng

Tiêu chí đánh giá Đánh giá giao thức

Tính ổn định (nút đầu tiên chết) EDEEC

EDDEECBEENISHProposed protocols

Thời gian sống (nút cuối cùng chết)

Thông lượng (số lượng gói được gửi

Giao thức Nút đầu tiên chết

(vòng)

Nút cuối cùng chết(vòng)

Hình 5 Biểu đồ thời gian tồn tại so sánh của các giao thức tương tác được mô phỏng

Hình 6 Đồ thị so sánh thời gian chết của nút của các giao thức tham gia mô phỏng

Hình 5 và 6 cho thấy số lượng các nút còn sống và đã chết trong thời gian tồn tại của mạng Nút đầu tiên cho EDEEC, EDDEEC, BEENISH và Giao thức đề xuất chết

ở 1003, 1409, 1087 và 1817 vòng, giao thức được đề xuất cao hơn 81% EDEEC, 28% EDDEEC, 67% BEENISH của số vòng mà nút đầu tiên chết Và tất cả các nút chết ở vòng 7761, 7697, 10839 và 11923, giao thức được đề xuất cao hơn 53% EDEEC, 54% EDDEEC, 10% SAU của số vòng mà nút cuối cùng chết.

Như có thể thấy từ Hình 5 và 6, Giao thức được đề xuất hoạt động tốt hơn các giao thức hiện có được lựa chọn khác về tuổi thọ mạng, thời gian ổn định Do đó, giao thức được đề xuất tiêu thụ ít năng lượng hơn, không chỉ kéo dài tuổi thọ mạng mà còn kéo dài thời gian ổn định so với các giao thức khác