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 Giáo viên hướng dẫn TS TRẦN CÔNG HÙNG MỤC LỤC 1 G[.]
Trang 1HỌC 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
Giáo viên hướng dẫn : TS TRẦN CÔNG HÙNG
Trang 2MỤC LỤC
1 Giới thiệu 3
2 Công trình liên quan 5
3 DCEER: Sơ đồ phân cụm phân tán 8
4 DCEER: Định tuyến đa bước 10
4.1 Thuật toán khám phá tuyến đường 10
4.2 Sự hội tụ và phức tạp của DCEER 13
5 Kết quả mô phỏng 16
6 Kết luận 22
Tài liệu tham khảo 22
Trang 3Thuật toán Heuristic phân tán để định tuyến hiệu quả năng lượng có giới hạn độ trễ trong mạng
cảm biến không dây
Tóm tắt: Bên cạnh việc hạn chế năng lượng, mạng cảm biến không dây
(WSN) sẽ có thể cung cấp độ trễ đầu cuối giới hạn khi chúng được sử dụng để hỗtrợ các ứng dụng thời gian thực như hệ thống báo cháy rừng sớm Trong bài báonày, chúng tôi nghiên cứu vấn đề tìm ra con đường tiêu thụ năng lượng ít nhất cóhạn chế về độ trễ với độ phức tạp tính toán thấp trong các mạng như vậy Dựa trênphương pháp định tuyến theo vectơ khoảng cách, có ít độ phức tạp tính toán và chiphí thông báo ít hơn, chúng tôi đề xuất một thuật toán heuristic phân tán được gọi
là Định tuyến hiệu quả năng lượng hiệu quả trì hoãn (DCEER) để giảm thiểu tổngmức tiêu thụ năng lượng trong khi vẫn đáp ứng được độ trễ đầu cuối yêu cầu.DCEER chỉ yêu cầu một lượng thông tin vừa phải tại mỗi nút cảm biến và không
bị quá nhiều thời gian chạy Chúng tôi chứng minh rằng thuật toán đề xuất củachúng tôi luôn hoàn thành trong một khoảng thời gian hữu hạn và độ phức tạp tínhtoán chỉ là O (n), trong đó n là ước số của số nút cảm biến Bằng chứng minh toánhọc và mô phỏng, chúng tôi xác minh rằng DCEER phù hợp với WSN quy mô lớn
vì số lượng thông báo trao đổi giữa các nút cảm biến được biểu diễn bằng một đathức chức năng Hơn nữa, chúng tôi đánh giá đề xuất của mình để so sánh hiệu suấtcủa nó với các giao thức liên quan
Trang 41 Giới thiệu
Hiệu quả năng lượng là mục tiêu chính trong thiết kế của WSN Tuy nhiên,trong các ứng dụng thời gian thực như hệ thống báo cháy rừng sớm, dữ liệu phảiđược truyền từ các nguồn đến tải tiêu thụ trong thời gian giới hạn Nếu vượt quáthời gian này, dữ liệu sẽ không còn hữu ích nữa Do đó, tồn tại sự cân bằng giữatiêu thụ năng lượng và độ trễ đầu cuối cho các ứng dụng như vậy Mặc dù nhiềugiải pháp heuristic đã được đề xuất để cân bằng giữa độ trễ của mạng và mức tiêuthụ năng lượng trong các WSN [1–6], không có giải pháp nào đạt được sự cânbằng tối ưu
Tổng hợp dữ liệu trong mạng là kỹ thuật xử lý dữ liệu dư thừa và hợp nhấtcác dữ liệu khác nhau thành một dữ liệu thống nhất [7] Các thuật toán phân cụmđược sử dụng trong tổng hợp dữ liệu nội mạng để tạo ra các gói dữ liệu nhỏ mangtất cả thông tin cần thiết từ các cảm biến giám sát một vùng cụ thể trước khichuyển tiếp chúng đến đích [8] Ngoài ra, các giao thức định tuyến đa bước có thểchuyển tiếp dữ liệu đến đích theo nhiều tuyến đa bước với độ tin cậy cao và cânbằng năng lượng tốt [9] Phương pháp tiếp cận của chúng tôi dựa trên việc kết hợpphân cụm [8] và định tuyến đa bước [9] để (i) tổng hợp dữ liệu trong mạng trướckhi truyền chúng đến tải tiêu thụ để giảm tổng mức tiêu thụ năng lượng và chi phítruyền thông trên toàn mạng; và (ii) theo đuổi chuyển tiếp dữ liệu đa bước để giảmthiểu năng lượng truyền tải trong khi vẫn đáp ứng yêu cầu về độ trễ đầu cuối
Có một số kỹ thuật để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng trong WSN dựa trêncách tiếp cận phân cụm [8] Tuy nhiên, trong công việc này, chúng tôi áp dụng sơ
đồ phân nhóm được đề xuất trong [6], sử dụng chỉ số Trao đổi Năng lượng và Độtrễ (TED) để cân bằng giữa mức tiêu thụ năng lượng và độ trễ đầu cuối Đóng gópchính của bài báo này là đề xuất về một thuật toán định tuyến đa bước mới có thểtìm ra tuyến đường tiêu thụ năng lượng ít nhất bắt đầu từ một đầu cụm nhất địnhđến tải tiêu thụ trong khoảng thời gian trễ đầu cuối giới hạn Trong [1] và [5], cáctác giả tập trung vào việc xây dựng cấu trúc liên kết mạng nhằm mục đích cânbằng tốt giữa mức tiêu thụ năng lượng và độ trễ đầu cuối để định tuyến chỉ làchuyển tiếp dữ liệu từ bất kỳ nguồn nào đến một đích đến nhất định với một cấutrúc liên kết cố định Trong bài báo này, thay vào đó, chúng tôi nghiên cứu việc lựa
cạnh đó, thay vì định tuyến dựa trên hàm chi phí tổng hợp của cả chỉ số độ trễ vàtiêu thụ năng lượng như trong [6], chúng tôi tập trung vào việc lựa chọn tuyến
Trang 5đường dựa trên từng số liệu riêng biệt nhưng bị ràng buộc lẫn nhau Nhiều giảipháp [10–18] đã được đề xuất để giải quyết vấn đề định tuyến hiệu quả năng lượng
bị hạn chế về độ trễ trong WSN với nhiều mức độ thành công khác nhau Vấn đề
chúng tôi muốn
Trong mô hình của chúng tôi, chỉ có một nút đích Nút này nhận tất cả dữ liệu từcác nút cảm biến trong toàn mạng
Thật không may, bởi vì bài toán này đã được chứng minh là khó NP [19],không tồn tại thuật toán nào có thể tìm ra lời giải tối ưu và chạy trong thời gian đathức Các giải pháp nêu trên đã không cố gắng giải quyết vấn đề phức tạp này, thayvào đó chúng xác định các vấn đề đơn giản hơn Trong bài báo này, chúng tôi tậptrung vào một vấn đề đơn giản hóa bằng cách xem xét lớp ứng dụng chỉ có mộtđích duy nhất Thuật toán của chúng tôi sử dụng các tuyến đường kết hợp thay vì
số liệu kết hợp để giảm không gian tìm kiếm Tính mới trong đề xuất của chúng tôichủ yếu nằm ở thuật toán khám phá tuyến đường Nó chỉ sử dụng một lượng thôngtin vừa phải từ các nút lân cận thay vì toàn bộ mạng và việc định tuyến hiệu quả,hội tụ nhanh và ít tốn kém hơn Để đạt được như vậy, chúng tôi xác định một sốthông điệp đặc biệt để trao đổi thông tin giữa các nút lân cận cũng như một mụcnhập đơn giản để lưu trữ thông tin được trao đổi Những điều này hỗ trợ định tuyếnnhanh chóng xác định nút tiếp theo tốt nhất của tuyến đường tối ưu với độ phức tạptính toán thấp
Phần còn lại của bài báo được sắp xếp như sau Phần 2 thảo luận về các đềxuất hiện có cho vấn đề này Phần 3 mô tả ngắn gọn mã giả của thuật toán phâncụm được đề xuất trong [6] Phần 4 trình bày thuật toán định tuyến đa bước choDCEER và phân tích sự hội tụ và độ phức tạp của nó Phần 5 hiển thị kết quả môphỏng cho hiệu suất của DCEER Phần 6 kết thúc bài báo
2 Công trình liên quan
Huỳnh và cộng sự đã đề xuất một sơ đồ định tuyến đa bước để cân bằngmức tiêu thụ năng lượng và độ trễ mạng trong [1] Thuật toán định tuyến độ trễnăng lượng * được áp dụng cho các nút cảm biến trong mỗi cụm ba bước trong khithuật toán xây dựng chuỗi hiệu quả năng lượng được áp dụng cho các đầu cụm để
Trang 6xây dựng các chuỗi tiết kiệm năng lượng từ các đầu cụm đến trạm gốc Trong [5],các tác giả đã đề xuất một thuật toán định tuyến nhận biết độ trễ hiệu quả nănglượng khác cho WSN nhiều lớp, trong đó các đầu cụm ở mỗi lớp được kết nối vớinhau dưới dạng đồ thị de Bruijn để cải thiện độ trễ của mạng, mức tiêu thụ nănglượng và độ tin cậy của hệ thống Gần đây, trong [6], các tác giả đã đề xuất mộtphương pháp phân cụm phân tán mới để xác định đầu cụm tốt nhất cho mỗi cụmbằng cách kiểm soát các thông số điều chỉnh Ngoài ra, họ đã đề xuất một hàm chiphí tổng hợp mới được sử dụng trong thuật toán định tuyến nhiều bước nhảy từ cácđầu cụm để cân bằng giữa mức tiêu thụ năng lượng và độ trễ đầu cuối
Trong HEED [10], các đầu cụm được chọn định kỳ dựa trên cả năng lượng
dư của một nút cảm biến và khoảng cách từ mỗi nút cảm biến đến các nút lân cậncủa nó HEED có thể đạt được phân phối đầu cụm đồng nhất trên toàn bộ mạng,nhưng nó cần quá nhiều lần lặp lại, dẫn đến chi phí cao Dựa trên kiến trúc củaHEED, Akkaya và Younis đã đề xuất một giao thức định tuyến [11] để tìm ra mộttuyến đường tiết kiệm năng lượng mà theo đó các yêu cầu về độ trễ đầu cuối đượcđáp ứng Giao thức này chia các gói dữ liệu thành hai loại dựa trên yêu cầu về độtrễ và băng thông, đặt chúng vào các hàng đợi tương ứng và chuyển tiếp đến tảitiêu thụ Tuy nhiên, cách tiếp cận của họ đã không tính đến các yếu tố trì hoãn cóthể xảy ra do sự tranh giành kênh ở lớp MAC
Trong [12], các tác giả đã đề xuất một giao thức định tuyến hạn chế độ trễ vàtiết kiệm năng lượng dựa trên độ dài của gói dữ liệu và độ dài hàng đợi để giảm tắcnghẽn mạng Giao thức này cho phép các gói nhạy cảm với thời gian chọn đường
đi ngắn nhất để giảm độ trễ đầu cuối trong khi các gói dữ liệu khác chọn các nútlân cận để chuyển tiếp dữ liệu đến tải tiêu thụ để cân bằng năng lượng Trong [13],Han và cộng sự đã đề xuất một cây bao trùm tối thiểu với chỉ số Wiener cho cácWSN, trong đó các nút cơ sở là di động Đối với các WSN quy mô nhỏ, thuật toán
rẽ nhánh và liên kết được sử dụng để giảm thiểu không gian tìm kiếm Đối với cácWSN quy mô lớn, thuật toán ủ mô phỏng được sử dụng để bỏ qua các giải pháp tối
ưu cục bộ và hướng tới giải pháp tối ưu tốt hơn Đề xuất này vượt trội hơn cây baotrùm tối thiểu về mức tiêu thụ năng lượng và độ trễ mạng Với cùng mục tiêu, Niu
và cộng sự đã nghiên cứu độ trễ tối thiểu và việc xây dựng cây bị tràn hiệu quảnăng lượng cho các WSN có liên kết không đáng tin cậy [14] Vấn đề được xâydựng như một vấn đề cây bao trùm tối thiểu với một ràng buộc trễ không xác định.Một thuật toán heuristic phân tán dựa trên giới hạn trễ đã biết đã được đề xuất đểgiải quyết vấn đề này Mặc dù thuật toán đề xuất của họ đạt được sự cân bằng tốt
Trang 7giữa độ trễ bị tràn và tiêu thụ năng lượng, nhưng nó đòi hỏi rất nhiều chi phí đểxây dựng cây bao trùm tối thiểu.
Nadeem và cộng sự đã đề xuất một giao thức định tuyến đa bước dựa trênphần mềm năng lượng dựa trên cổng cho WSN được gọi là MGEAR trong [15]
Để tiết kiệm năng lượng, giao thức được đề xuất chia các nút cảm biến ở các vùngkhác nhau, mỗi vùng sử dụng một kiến trúc định tuyến khác nhau Ngoài ra, giaothức này triển khai một cổng nằm trong vùng cảm biến để hỗ trợ các nút cảm biếntrong việc phân cụm và định tuyến Dựa trên khoảng cách từ mỗi nút cảm biến đếncổng vào và đến trạm gốc, giao thức quyết định thực hiện truyền trực tiếp hoặctruyền đa bước gián tiếp Tuy nhiên, giao thức này chỉ có thể được áp dụng cho các
việc xử lý phân cụm và thiết lập lịch biểu TDMA phụ thuộc vào một cổng; nókhông thể được triển khai trong các mạng phân tán Tương tự, Guidoni và cộng sự
đã đề xuất một giao thức định tuyến dựa trên cấu trúc liên kết cho các WSN khôngđồng nhất được gọi là RouT trong [16] Với cùng một kiến trúc mạng vật lý, giaothức được đề xuất tạo ra các cấu trúc liên kết logic khác nhau tùy thuộc vào dunglượng của các nút cảm biến Chúng được chia thành hai loại là L-sensor (công suấtthấp) và Hsensors (công suất cao) Mỗi cấu trúc liên kết logic được thiết lập dựatrên độ trễ của các liên kết được kết nối giữa các cảm biến H Bằng cách này, mỗicấu trúc liên kết logic tạo ra sự cân bằng giữa mức tiêu thụ năng lượng và độ trễcủa mạng Tuy nhiên, các thông điệp trao đổi giữa các nút cảm biến để thiết lập cáccấu trúc liên kết logic dẫn đến độ trễ đầu cuối và đầu cuối nhiều hơn
Trang 8thành viên cụm đầu cụm tải tiêu thụ
liên kết từ thành viên cụm đến đầu cụm liên kết từ đầu cụm đến đầu cụm (hoặc SINK)Hình 1 Mô hình mạng cảm biến không dây phân cấp
DEAR (định tuyến giới hạn năng lượng thích ứng trì hoãn) được đề xuấttrong [17] là một giao thức định tuyến đa đường Nó xem xét nhiều thông số như
độ tin cậy, độ trễ và tiêu thụ năng lượng Giao thức này cho phép các gói đượcphân phối liên tục trên mạng ngay cả khi các đường dẫn sắp gặp sự cố Nó cânbằng độ trễ giữa các con đường khác nhau bằng cách sử dụng thuật toán thời gian
đa thức để giải quyết vấn đề tối ưu hóa đa mục tiêu Trong [18], Yao và cộng sự đãthiết kế một giao thức nhận biết độ trễ hiệu quả năng lượng để cân bằng tuổi thọmạng, được gọi là EDAL Họ đề xuất phương pháp heuristic tập trung để giảm độ
Trang 9phức tạp tính toán và phương pháp heuristic phân tán để làm cho thuật toán phùhợp với các WSN quy mô lớn Thuật toán này cũng được mở rộng, để giảm tổngtiêu thụ năng lượng cho các ứng dụng có ràng buộc trễ lỏng.
3 DCEER: Sơ đồ phân cụm phân tán
Hãy xem xét một tập hợp các nút cảm biến được phân tán trong một trườngnhư được minh họa trong Hình 1 Chúng tôi sử dụng mô hình mạng phân cấp trong
đó các nút cảm biến được phân bố trong các cụm Mỗi cụm tự chọn một đầu cụmtổng hợp dữ liệu từ các nút thành viên cụm của nó và gửi dữ liệu tổng hợp đếnSINK trong nhiều bước nhảy
Thuật toán 1 Mã giả của thuật toán phân cụm cho mỗi nút cảm biến
Input: Tin nhắn ADV từ SINK
Output: Node Role
1 Tính khoảng cách gần đúng từ cảm biến nút tới SINK, dtoSINK
2 Chờ τ = 1E
3 phát thông điệp ADV cho cụm lân cận
4 if nhận được tin nhắn ADV từ những cụm lân cận khác
Trang 1019 else
20 Truyền thông báo JCR cho người khác
21 NodeRole = Cluster-head
22 end if
23 Truyền thông báo NCR đến các đầu cụm khác
24 Cập nhật nút năng lượng dư
25 Quay lại NodeRole
DCEER hoạt động trong các vòng liên tiếp Mỗi vòng được chia thành hai giaiđoạn: (i) tổ chức mạng, thiết lập cấu trúc liên kết mạng cụm và (ii) truyền dữ liệu,tìm ra tuyến đường tốt nhất để truyền dữ liệu từ các đầu cụm đến SINK Trong giaiđoạn đầu, DCEER sử dụng sơ đồ phân cụm phân tán được đề xuất trong [6] đểthiết lập các cụm
tích lũy của các ứng cử viên đầu cụm khác mà nó đã nhận được từ các bản tin
nằm trong khoảng [0, 1] và α + β ≠ 0 Trong dòng 16 và 20, thông báo JCR (JoinCluster Request) được sử dụng để xác định xem một nút cảm biến đã tham gia vàocụm hay chưa Trong dòng 23, thông báo NCR (Neighbor Cluster-head Request)được sử dụng để xác định các đầu cụm lân cận
4 DCEER: Định tuyến đa bước
Sau khi các cụm đã được thiết lập, mỗi nút của thành viên cụm sẽ tắt radiocho đến khi thời gian truyền được phân bổ của nó để gửi dữ liệu đến đầu cụm Đầucụm giữ cho máy thu của nó tiếp tục nhận dữ liệu từ các nút thành viên cụm của
nó Sau khi tất cả dữ liệu đã được nhận, đầu cụm tổng hợp tất cả các gói dữ liệuthành một gói duy nhất để giảm dự phòng và năng lượng truyền Sau đó, nó pháthiện ra con đường tốt nhất để chuyển dữ liệu tổng hợp đến SINK Tuyến đườngnày phải có tổng mức tiêu thụ năng lượng ít nhất trong khi vẫn giữ độ trễ đầu cuốidưới một giá trị Δ cho trước
4.1 Thuật toán khám phá tuyến đường
Mỗi đầu cụm i phải có thông tin sau để tìm tuyến đường tốt nhất để phân phối
dữ liệu đến SINK
Trang 11(i) nextCHle: đầu cụm tiếp theo (nút j) làm cho đầu cụm tôi tiêu thụ ít năng
lượng nhất trong việc gửi dữ liệu đến nút j, nghĩa là
trong đó N i là các lân cận của đầu cụm i, ETx (i, j) là năng lượng tiêu thụ trong việc truyền một gói dữ liệu lbit từ đầu cụm i đến đầu cụm j trên một khoảng
cách là dij và được định nghĩa là
trong đó Eelec là hệ số tiêu thụ năng lượng điện tử, εfs và εmp là năng lượng bộkhuếch đại để duy trì tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu có thể chấp nhận được, d0 = (εfs / εmp)1/2 là khoảng cách tham chiếu giữa máy phát và máy thu
trễ nhất trong việc gửi dữ liệu đến nút j, nghĩa là
tin trải qua khi truyền liên kết từ đầu cụm i đến đầu cụm j, được định nghĩa là
trễ truyền tin và độ trễ lan truyền Theo [6], chúng ta có:
trong đó µ là tốc độ phân phát là biến ngẫu nhiên hàm mũ, λ là tốc độ nhập các gói mới là biến ngẫu nhiên Poisson, l là kích thước gói (tính bằng bit), ψ là băng
đầu cụm j và γ là tốc độ lan truyền trong môi trường (tính bằng m / s).
(iii) ld (i, SINK): thời gian ít nhất cần thiết để gửi dữ liệu từ đầu cụm i đến
Khoảng cách này được tính bằng cách sử dụng giá trị RSSI (Chỉ báo
Trang 12cường độ tín hiệu đã nhận) mà nó nhận được từ bước đầu tiên của giaiđoạn thiết lập cụm.
Tại bất kỳ thời điểm nào, nếu đầu cụm i có dữ liệu để gửi đến SINK, nó sẽ bắt đầu khám phá tuyến đường bằng cách kiểm tra ld (i, SINK) Nếu giá trị này lớn hơn độ trễ giới hạn, không tồn tại bất kỳ tuyến đường nào giữa tiêu đề cụm i và
SINK đáp ứng giới hạn độ trễ Nó dừng việc thực thi thuật toán và không gửi dữ
liệu ra ngoài Tuy nhiên, nếu ld (i, SINK) ≤ Δ, tức là các tuyến đáp ứng giới hạn trì hoãn giữa đầu cụm i và SINK, nó sẽ tiếp tục thực thi cho đến khi tìm thấy một tuyến Trong trường hợp này, đầu cụm i xác định đầu cụm tiếp theo, j, thỏa mãn Công thức (3) Sau đó, đầu cụm i sẽ gửi thông báo Yêu cầu trễ nhất (LDR) đến đầu cụm lân cận của nó để nhận giá trị của ld (j, SINK) Đầu cụm j trả về giá trị mới nhất của ld (j, SINK) cho đầu cụm i Đầu cụm i kiểm tra sự bất bình đẳng sau:
trong đó D(initCH, currCH) là thời gian trôi qua từ đầu cụm bắt đầu của
tuyến đường này đến đầu cụm hiện tại (trong trường hợp này, nó là đầu cụm i).
Nếu bất đẳng thức này được thỏa mãn thì tồn tại các tuyến đường ràng buộc
trễ hợp lệ từ đầu cụm i đến SINK thỏa mãn giới hạn trễ Δ và chúng sử dụng liên kết (i, j) để đi theo tuyến ít năng lượng nhất Đầu cụm i chọn đầu cụm j làm nút
tiếp theo của tuyến đường hướng tới SINK Nếu bất đẳng thức không được thỏa
mãn, đầu cụm i chọn một đầu cụm khác, k, làm nút tiếp theo bằng cách sử dụng
Công thức (5) để đi theo tuyến đường có độ trễ ít nhất Lựa chọn này đảm bảo rằng
tuyến đường từ tiêu đề cụm hiện tại, i, đến SINK là một phần của ít nhất một tuyến
đường từ đầu cụm khởi tạo đến SINK đáp ứng giới hạn độ trễ, nếu không, đầu cụmhiện tại không thể đã chọn ở bước trước
Sau khi chọn liên kết (nút tiếp theo) để theo dõi, đầu cụm hiện tại, i, tạo một
mục nhập bảng định tuyến cho tuyến đường này Nó chứa thông tin như trongHình 2
routeCODE, initCH là đầu cụm khởi đầu của tuyến, prevCH là đầu cụm lân cận
currCH) là thời gian trôi qua từ initCH đến đầu cụm hiện tại của tuyến đường này