Cải tiến thuật toán định tuyến cho trạm thu phát di động trong mạng cảm biến không dây

MỞ ĐẦU Ngày nay, mạng cảm biến không dây Wireless Sensor Network: WSN đã và đang là lĩnh vực thu hút rất nhiều sự quan tâm vì những tiềm năng và lợi ích to lớn mà chúng có thể cung cấp c

on battery power However, it is not easy to reload Therefore, energy is always a matter

of concern for scientists and researchers Besides, WSN is applied a lot in life To extend the life of the network and less energy consumed , in this paper, propose a routing algorithm between Leach _C and ACO (Ant Colony Optimize) Using a mobile sink to collect data from the base station (BS) to the cluster headers (CHS), the direction of the sink is determined by the ACO algorithm Results, compared to LEACH, LEACH-C, LEACH-CD From there, save energy and improve network life time

Tai Lieu Chat Luong

động được là nhờ năng lượng pin Tuy nhiên, nó không dễ dàng để nạp lại Vì vậy, năng lượng luôn là vấn đề quan tâm của các nhà khoa học và nghiên cứu Bên cạnh đó, WSN được ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống Để kéo dài tuổi thọ của mạng và năng lượng ít

bị tiêu hao, trong bài báo này, đề xuất một thuật toán định tuyến kết hợp giữa LEACH_C

và ACO Sử dụng một sink di động đi thu thập dữ liệu từ trạm gốc đến các trưởng cụm, hướng đi của sink được quyết định bởi thuật toán ACO Kết quả, được so sánh với

LEACH, LEACH-C, LEACH-CD Từ đó, tiết kiệm được năng lượng và cải thiện thời gian sống của mạng

LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan rằng luận văn “Cải tiến thuật toán định tuyến cho trạm thu phát

di động trong mạng cảm biến không dây” là bài nghiên cứu của chính tôi

Ngoại trừ những tài liệu tham khảo được trích dẫn trong luận văn này, tôi cam đoan rằng toàn phần hay những phần nhỏ của luận văn này chưa từng được công bố hoặc được sử dụng để nhận bằng cấp ở những nơi khác

Luận văn này chưa bao giờ được nộp để nhận bất kỳ bằng cấp nào tại các trường đại học hoặc cơ sở đào tạo khác

TP.HCM, ngày … tháng … năm 2019

Học viên thực hiện luận văn

Tạ Chí Qui Nhơn

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn thạc sĩ, ngoài những cố gắng nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ rất nhiệt tình của quý thầy cô, cùng với sự động viên khích lệ và ủng hộ của gia đình, bạn bè và đồng nghiệp; với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến:

Ban lãnh đạo và tất cả cán bộ, công chức, viên chức đang công tác tại Trường Cao đẳng Công nghệ thông tin Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện để tôi hoàn thành việc học cao học tại trường Đại học Mở Tp HCM

Xin gửi lời cảm ơn trân trọng nhất đến PGS.TS Trần Công Hùng, người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo, chia sẻ kiến thức, tài liệu, tạo mọi điều kiện thuận lợi

và định hướng cho em trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Bên cạnh đó, tôi cũng đã nhận được rất nhiều sự hỗ trợ, góp ý từ NCS Phan Thị Thể, Ths Nguyễn Ngọc Thắng và các bạn bè; xin gửi lời tri ân đến tất cả quý thầy, cô và các anh chị

Do thời gian có hạn, bản thân đã cố gắng và nỗ lực hết sức mình nhưng chắc rằng luận văn khó tránh khỏi thiếu sót; tôi rất mong nhận được sự thông cảm và chỉ bảo tận tình của quý thầy cô và các anh chị

Xin chân thành cảm ơn!

TP.HCM, ngày … tháng … năm 2019

Học viên thực hiện luận văn

Tạ Chí Qui Nhơn

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH VẼ vi

DANH MỤC BẢNG vii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 5

1.1.Giới thiệu 5

1.2.Cấu trúc mạng cảm biến không dây 6

1.2.1 Cấu trúc một nút mạng WSN 6

1.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 7

1.2.3 Kiến trúc giao thức mạng WSN 9

1.3.Một số vấn đề thiết kế mạng cảm biến không dây 12

1.3.1 Khả năng chịu lỗi (fault tolerance) 12

1.3.2 Khả năng mở rộng (scalability) 12

1.3.3 Chi phí sản xuất (production costs) 12

1.3.4 Hạn chế của phần cứng (hardware constraints) 13

1.3.5 Cấu hình mạng cảm biến (network topology) 13

1.3.6 Sink di động 13

1.3.7 Tiêu thụ năng lượng 13

1.3.8 Độ tin cậy 14

1.3.9 Độ trễ 14

1.4.Ứng dụng của mạng cảm biến không dây 14

1.4.1 Quân sự 14

1.4.2 Công nghiệp 15

1.4.3 Nông nghiệp 16

1.4.4 Giám sát môi trường 18

1.4.5 Gia đình 19

1.4.6 Sức khỏe 20

1.4.7 Giao thông: 20

1.5.Kết luận 21

CHƯƠNG 2: CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN 22

2.1.Định tuyến trong WSN 22

2.2.Một số giao thức định tuyến trong WSN 23

2.2.1 LEACH 23

2.2.2 LEACH_C 27

2.2.3 Logic mờ 28

2.2.4 Giao thức CHEF Fuzzy (Cluster Head Election mechanism using Fuzzy logic) 30

2.3.Mô hình trạm thu phát di động: gồm 03 dạng 32

2.4.Một số giải thuật định tuyến có trạm thu phát di động 33

2.4.1 Thuật toán MSA (Mobile Sink Assisted Energy Efficient Routing Algorithm) 33

2.4.2 Thuật toán MECA (Mobile sink based Energy-efficient Clustering Algorithm) 34

2.4.3 LEACH kết hợp mobile sink theo quỹ đạo cố định 38

2.4.4 LEACH_C có mobile sink 39

2.4.5 Định tuyến động trên lưới ảo (Virtual Grid based Dynamic Route Adjustment - VGDRA) 41

2.4.6 Đề xuất giảm sự tiêu hao năng lượng trong WSN bằng phương pháp tìm đường đi ngắn nhất 43

2.4.7 Đề xuất hướng di chuyển để tiết kiệm năng lượng cho sink mobility trong mạng cảm biến không dây 46

2.4.8 Thuật toán tìm đường đi ngắn nhất ACO 48

2.5.Kết luận 51

CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT 52

3.1.Giới thiệu: 52

3.2.Đề xuất: 52

3.2.1 Mô hình tiêu thụ năng lượng 53

3.2.2 Hướng di chuyển của mobile sink: 54

3.2.3 Lưu đồ hoạt động của thuật toán đề xuất 54

3.3.Kết luận 56

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT CỦA GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT 57

4.1.Cài đặt mô phỏng: 57

4.2.Các tiêu chí đánh giá hiệu suất 57

4.3.Kết quả mô phỏng 58

4.4.Kết luận 61

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1: Các thành phần của nút cảm biến 7

Hình 1 2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây 9

Hình 1 3: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến 9

Hình 1 4: Ứng dụng trong quân sự 15

Hình 1 5: Ứng dụng trong công nghiệp 15

Hình 1 6: Ứng dụng ở cảng 16

Hình 1 9: Mạng WSN cảnh báo cháy rừng 18

Hình 1 10: Ứng dụng nhà thông minh 19

Hình 1 11: Ứng dụng trong y tế 20

Hình 1 12: Ứng dụng trong giao thông 21

Hình 2 1: Mô hình định tuyến đơn hop và đa hop 22

Hình 2 2: Hai pha trong một vòng của giao thức Leach 25

Hình 2 3: Cấu trúc hệ thống suy luận mờ 29

Hình 2 4: Mô hình mạng cảm biến trong thuật toán MECA 35

Hình 2 5: Mô hình di chuyển của sink sau khoảng thời gian 35

Hình 2 6: Tổng tiêu thụ năng lượng của MECA và LEACH 38

Hình 2 7: Sink di chuyển theo quỹ đạo tròn cố định 39

Hình 2 8: Lược đồ Leach-CM 41

Hình 2 9: Lược đồ LEACH-CM 43

Hình 2 10: Chia các nút cảm biến thành các cụm 44

Hình 2 11: So sánh mức tiêu thụ năng lượng giữa LEACH và thuật toán mới 46

Hình 2 12: Mô phỏng so sánh số nút còn sống giữa đề xuất LEACH-CD với LEACH, LEACH C 47

Hình 3 1: Hướng di chuyển của mobile sink trong đề xuất 54

Hình 3 2: Lưu đồ hoạt động của thuật toán đề xuất 55

Hình 4 1: Mô phỏng so sánh nút mạng còn sống giữa giao thức đề xuất LEACH-CACO và giao thức LEACH, LEACH-C, LEACH-CD 59

Hình 4 2: Mô phỏng quá trình tiêu thụ năng lượng giữa giao thức đề xuất LEACH-CACO và giao thức LEACH, LEACH-C, LEACH-CD 60

DANH MỤC BẢNG Bảng 2 1: Chín quy tắc mờ if - then của thuật toán CHEF 31

Bảng 4 1: Bảng tham số mô phỏng 57 Bảng 4 2: So sánh tuổi thọ mạng giữa giao thức đề xuất LEACH-CACO và giao thức LEACH, LEACH-C, LEACH-CD 58 Bảng 4 3: So sánh sự tiêu thụ năng lƣợng giữa giao thức đề xuất LEACH-CACO

và giao thức LEACH, LEACH-C, LEACH-CD 60

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

TỪ VIẾT

WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây

ACO Ant Colony Optimize Tối ưu hóa đàn kiến

LEACH Low Energy Adaptive

Clustering Hierarchy

Phân cụm thích ứng năng lượng thấp

CHEF

Cluster Head Election mechanism using Fuzzy logic

Cơ chế lựa chọn trưởng cụm sử dụng logic mờ

FIS Fuzzy Inference System Hệ thống suy luận mờ

COG Center of Gravity

VGDRA Virtual Grid based

Dynamic Route Adjustment Định tuyến động trên lưới ảo

MỞ ĐẦU Ngày nay, mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network: WSN) đã

và đang là lĩnh vực thu hút rất nhiều sự quan tâm vì những tiềm năng và lợi ích to lớn mà chúng có thể cung cấp cho các lĩnh vực về kinh tế - xã hội, nông nghiệp và công nghiệp, môi trường, giáo dục, y tế, quốc phòng…

WSN là một tập hợp gồm các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học) phối hợp nhau để thực hiện việc thu thập thông tin dữ liệu phân tán với qui mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở trong bất kỳ địa hình nào

Đặc điểm của mạng cảm biến không dây là năng lượng bị giới hạn vì cảm biến được cung cấp từ pin có nguồn năng lượng hạn chế Nguồn năng lượng này không dễ dàng để thay thế hay nạp lại khi các nút cảm biến được triển khai trong một vùng rộng lớn, những nơi nguy hiểm, hoặc có địa hình phức tạp

Trong WSN việc tiêu hao năng lượng chủ yếu do thu thập dữ liệu từ môi trường xung quanh, và mỗi cảm biến cũng cần có năng lượng để xử lý, tổng hợp và truyền tải dữ liệu thường xuyên, liên tục về nút trung tâm mạng Vậy điều cần thiết

là phải làm sao để giảm mức tiêu thụ năng lượng đến mức tối đa Điều này được thực hiện bằng cách giới hạn số nút liên lạc trực tiếp với trạm gốc (BS – Base Station) hay trạm thu phát (Sink) đây là nơi tập hợp, lưu trữ dữ liệu ứng dụng và cũng là nơi xử lý, ra quyết định trong WSN

Trên thế giới, đã có nhiều thuật toán phát triển cho việc giảm thiểu số nút giao tiếp với trạm gốc bằng cách nhóm các nút trong mạng thành các khu vực hoặc các cụm Mỗi cụm được điều khiển bởi một nút trưởng cụm (CH – Cluster Head), các nút khác trong cụm trở thành nút thành viên của cụm đó Các nút thành viên chỉ liên lạc với nút trưởng cụm trong phạm vi của cụm đó Nút trưởng cụm sẽ liên lạc trực tiếp với trạm gốc nên hạn chế mức tiêu thụ năng lượng của các nút cảm biến trong WSN

Tuy nhiên, để đạt được kết quả cao hơn nữa trong việc tiết kiệm năng lượng trong WSN, một số nhà nghiên cứu đã triển khai các trạm thu phát di động (MS - mobile

sink) để thu thập dữ liệu từ các nút cảm biến Tính di động của trạm thu phát nhằm tăng thời gian sống cho mạng cảm biến là vấn đề chính được xét đến trong luận văn này

Mục tiêu của luận văn

Mục tiêu của luận văn là xác định đường đi cho sự di chuyển của mobile sink (sử dụng một mobile sink) để tối ưu năng lượng tiêu thụ cho WSN và kéo dài thời gian sống của mạng WSN Do đó, sẽ tìm hiểu về giao thức phân cụm Leach, logic

mờ, mobile sink, thuật toán tìm đường đi ngắn nhất cho mobile sink từ trạm gốc BS đến các trưởng cụm CH để thu thập thông tin từ các nút cảm biến

Vấn đề cần giải quyết của luận văn

Luận văn xét trên một mạng lưới cảm biến không dây với các nút cảm biến được triển khai ngẫu nhiên

Các cảm biến tiêu hao năng lượng không đồng đều Theo cách truyền thông tin truyền thống thì các nút cảm biến càng gần các nút trạm đã được cố định thì sẽ tiêu thụ năng lượng nhanh, vì các nút cảm biến gần là do các nút cảm biến ở xa chuyển tiếp nhiều ngày mới đến nên năng lượng đã bị tiêu hao trên đường đi, sau đó mới gửi đến trạm di động Điều này không chỉ gây ra những nút cảm biến gần sink ngưng hoạt động mà còn làm cho sink không thể truy cập đến các nút cảm biến khác

Để khắc phục tình trạng trên, ta phải hiệu chỉnh lại việc phân phối dữ liệu trên các tuyến đường (dynamic routes) hướng tới trạm bằng việc xác định hướng di chuyển của mobile sink nhằm thu được dữ liệu đầy đủ Từ đó, mới cải thiện được hiệu quả năng lượng, tăng tuổi thọ trong WSN và đây chính là vấn đề cần xem xét trong luận văn

Đối tượng nghiên cứu

Tìm hiểu ưu nhược điểm của mạng cảm biến không dây, mô hình trạm thu phát di động (mobile sink), giao thức LEACH, LEACH-C, các thuật toán tối ưu năng lượng trên mobile sink

Phạm vi nghiên cứu

− Nghiên cứu các kiến trúc mạng WSN

− Nghiên cứu về các giao thức LEACH, LEACH – C, Dijkstra, ACO

− Nghiên cứu, phân tích thuật toán định tuyến trên mobile sink, mô hình trạm thu phát di động

− Nghiên cứu phương pháp tiếp cận giao thức định tuyến phân cụm kết hợp với các giải thuật tìm đường đi ngắn nhất cho mobile sink từ trạm cơ sở (BS – Base Station hay sink) đến các trưởng cụm (CH – Cluster Head) để thu thập thông tin cảm biến, đồng thời cải tiến thời gian sống của WSN

Phương pháp nghiên cứu

− Nghiên cứu lý thuyết:

+ Tìm hiểu các phương pháp định tuyến hiện nay, tìm hiểu về mạng và kiến trúc WSN

+ Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về thuật toán phân cụm

+ Tìm hiểu sự kết hợp của thuật toán tìm đường đi ngắn nhất với giao thức định tuyến phân cụm LEACH-C trên mobile sink

− Nghiên cứu thực nghiệm:

Mô phỏng thuật toán đề xuất thông qua phần mềm Matlab, phân tích kết quả đạt được so với LEACH, LEACH – C, LEACH-CD

Các đóng góp của luận văn

Xác định tối ưu hướng di chuyển cho mobile sink để thu thập thông tin đầy

đủ giúp cải thiện được hiệu quả năng lượng của mạng bằng phương pháp tiếp cận thuật toán phân cụm kết hợp với việc sử dụng 01 mobile sink

Cấu trúc luận văn

Nội dung của luận văn gồm 04 chương:

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Chương này mô tả về cấu trúc mạng cảm biến không dây, đặc điểm và cấu trúc của nút cảm biến Những vấn đề thường gặp trong việc thiết kế mạng cảm biến không dây

Những ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong đời sống xã hội: quân

sự, công nghiệp, nông nghiệp và giám sát môi trường, gia đình, sức khỏe

Chương 2: Các công trình liên quan

Giới thiệu một vài thuật toán định tuyến có trạm thu phát sóng di động như: Định tuyến động trên lưới ảo (VGDRA – Virtual Grid based Dynamic Route Adjustment), phân cụm Leach kết hợp mobile sink theo quỹ đạo cố định, Leach – C

có mobile sink, định tuyến mobile sink MSA (Mobile Sink Assisted Energy Efficient Routing Algorithm), MECA (Mobile sink based Energy-efficient Clustering Algorithm)…hoặc sử dụng các giao thức như Leach, Leach – C, CHEF (Cluster Head Election mechanism using Fuzzy logic)

Chương 3: Trình bày giải pháp đề xuất xác định đường đi cho sự di chuyển của

mobile sink giúp giảm tiêu hao năng lượng từ trạm gốc đến các trưởng cụm, nâng cao thời gian sống của WSN

Chương 4: Mô phỏng và đánh giá hiệu suất của giải pháp đề xuất

Kết luận và hướng phát triển

Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network, viết tắt là WSN) là tập hợp nhiều nút cảm biến được kết nối với nhau bằng những phương tiện quang học, kết nối sóng vô tuyến, hồng ngoại WSN là một hệ thống tốn ít chi phí vì ngày nay với sự phát triển của khoa học và kỹ thuật thì việc thiết kế và phát triển các nút cảm biến có kích thước nhỏ, đơn giản, giá thành thấp, … có số lượng lớn, và có thể thực hiện được nhiều chức năng như cảm biến, thu thập dữ liệu, xử lý tính toán dữ liệu sau đó truyền dữ liệu về trạm gốc để tiếp tục phân tích và đưa ra các quyết định về môi trường xung quanh

Tuy nhiên, các nút cảm biến có nguồn lực hạn chế (thường dùng pin) về: năng lượng giới hạn, dung lượng lưu trữ, khả năng xử lý, tốc độ truyền thấp Chúng được phân bố một cách không có cấu trúc cụ thể Thời gian hoạt động từ vài tháng đến vài năm và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (có hóa chất, nhiệt

độ cao, ô nhiễm nặng ) Một số nút cảm biến có khả năng di chuyển, do có thể gắn các nút cảm biến này vào các thiết bị di động

Mỗi nút cảm biến trong mạng có nhiệm vụ cảm biến, quan sát môi trường xung quanh, theo dõi hay xác định các mục tiêu cố định hay di động, thu thập thông tin Sau đó, định tuyến thông tin về trạm thu phát (Sink) để chuyển tới người dùng thông qua mạng Internet hoặc Sink sẽ gửi yêu cầu định tuyến đến các nút cảm biến Tất cả các nút cảm biến được theo dõi và giám sát bởi một trạm gốc (Base Station - BS) hay trạm thu phát (Sink) Trạm này có bộ xử lý, khả năng lưu trữ và năng lượng lớn đảm nhận chức năng nhận dữ liệu từ các nút cảm biến, xử lý, phân tích

dữ liệu và đưa ra các kết luận về môi trường đang được theo dõi, kiểm soát

Có nhiều ứng dụng tiềm năng trong ngành công nghiệp, khoa học, giao thông, cơ sở hạ tầng, dân sự và an ninh như: giám sát môi trường sống và hệ sinh thái, giám sát địa chấn, theo dõi sức khỏe, giám sát ô nhiễm nước ngầm, giám sát quy trình công nghiệp, kiểm soát khí hậu…

1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây

1.2.1 Cấu trúc một nút mạng WSN:

Để cấu thành mạng các nút cảm biến trước hết phải chế tạo, xây dựng và phát triển các nút Tùy theo ứng dụng, các nút này sẽ có một số yêu cầu nhất định như: giá thành thấp, kích thước nhỏ, tiêu thụ năng lượng hiệu quả, có khả năng tính toán, bộ nhớ đủ để lưu trữ, có thể cảm biến, thu thập các thông số từ môi trường chính xác và để truyền thông đến các nút lân cận thì các nút cảm biến phải có khả năng thu phát sóng tốt

Một nút cảm biến được tạo thành từ các thành phần cơ bản như trong hình 1.1 gồm bộ cảm biến (a sensing unit), bộ xử lý (a processing unit), bộ truyền nhận (a transceiver unit), và bộ năng lượng (a power unit) Cũng tùy ứng dụng sẽ có thêm các thành phần khác như hệ thống định vị (a location finding system), bộ phát nguồn (power generator), và bộ phận di động (mobilizer) [1]

Bộ cảm biến bao gồm hai bộ con: bộ cảm biến và bộ chuyển đổi từ tương tự sang số (ADCs) Tín hiệu tương tự được tạo ra bởi các cảm biến, được chuyển đổi sang tín hiệu số bằng bộ ADC dựa trên những hiện tượng quan sát được, sau đó đưa vào bộ xử lý

Bộ xử lý kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ, quản lý các thủ tục bằng cách kết hợp các nút cảm biến với nhau để thực hiện nhiệm vụ cảm biến đã được chỉ định

Bộ thu phát kết nối các nút tới mạng Chúng gửi và nhận các dữ liệu thu được từ chính nó hoặc các nút lân cận tới các nút khác hoặc tới sink

Một trong những thành phần quan trọng của nút cảm biến đó là bộ nguồn Bộ nguồn có thể là một số loại pin Để các nút có thời gian sống lâu thì bộ nguồn rất quan trọng, nó phải có khả năng nạp điện từ môi trường Bộ nguồn có thể được hỗ trợ bởi bộ lọc năng lượng như tế bào năng lượng mặt trời Tùy thuộc vào những ứng dụng, cũng có những thành phần phụ khác

Hình 1 1: Các thành phần của nút cảm biến

Hầu hết các kỹ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm biến mạng đòi hỏi phải

có kiến thức về vị trí với độ chính xác cao Vì vậy, nút cảm biến cần phải có bộ định

vị Thỉnh thoảng, bộ di động cần di chuyển các nút cảm biến để thực hiện các nhiệm

vụ đã được định sẵn

Tất cả những thành phần phụ này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module Ngoài kích cỡ ra cũng có những ràng buộc khác cho nút cảm biến như: tiêu thụ năng lượng cực kỳ thấp, thích nghi với môi trường, hoạt động ở mật độ cao, chi phí thấp và có thể tự hoạt động mà không cần giám sát

1.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây:

Để có thể sử dụng nguồn tài nguyên hạn chế, kéo dài thời gian sống của mạng Việc thiết kế cấu trúc mạng cần phải có một số cơ chế, kỹ thuật đặc thù sau: Giao tiếp không dây multihop: Khi sử dụng giao tiếp không dây có thể gặp nhiều hạn chế là do khoảng cách hay các vật cản Đặc biệt, để chuyển tiếp thông tin từ nơi này đến đến khác với khoảng cách xa cần tiêu thụ một lượng công suất khá lớn nên cần các nút trung gian truyền thông nhằm giảm công suất tổng thể Do vậy, các mạng cảm biến không dây nên dùng giao tiếp multihop

Hoạt động hiệu quả năng lượng: vấn đề ưu tiên trong việc sử dụng mạng cảm biến không dây là kéo dài thời gian sống của toàn mạng nên hoạt động hiệu quả năng lượng là kỹ thuật quan trọng trong mạng cảm biến không dây

Tự động cấu hình: Chẳng hạn như các nút có thể tự xác định vị trí địa lý của nó

thông qua các nút khác (tự định vị) nên mạng cảm biến không dây cần phải có cơ chế tự động cấu hình các thông số một cách tự động

Xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: trong một số ứng dụng để thu thập đủ

dữ liệu thì một nút cảm biến không đủ mà cần có sự cộng tác hoạt động của các nút lân cận, khi đó từng nút thu và gửi dữ liệu trực tiếp đến sink thì sẽ tốn băng thông

và năng lượng Cần phải tập hợp các dữ liệu trong một vùng rồi gửi đến sink như vậy, sẽ tiết kiệm băng thông và năng lượng hơn

Do vậy, cấu trúc mạng mới sẽ là:

- Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến

- Tích hợp dữ liệu vào giao thức mạng

- Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây

- Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận

Các nút cảm biến được phân bố trong trường cảm biến (sensor field) như hình 1.2 Mỗi nút cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến sink Dữ liệu được định tuyến lại đến sink bởi một cấu trúc đa điểm như hình vẽ Các sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua mạng Internet hoặc vệ tinh

Hình 1 2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây

1.2.3 Kiến trúc giao thức mạng WSN

Cấu trúc giao thức kết hợp dữ liệu cảm biến với các giao thức mạng, tăng cường sự tương tác giữa các nút mạng, phối hợp các tính toán về truyền tin sao cho tiết kiệm năng lượng nhất Kiến trúc giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liên kết dữ liệu, lớp mạng, lớp truyền tải, lớp ứng dụng, phần quản lý năng lượng, phần quản lý di động và phần quản lý nhiệm vụ Cấu trúc giao thức được sử dụng trong sink và tất cả các nút cảm biến được thể hiện trên hình 1.3

Hình 1 3: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến

- Lớp ứng dụng: Trong lớp ứng dụng có một số giao thức quan trọng như giao thức quản lý mạng sensor (SMP - Sensor Management Protocol), giao thức quảng

bá dữ liệu và chỉ định nhiệm vụ cho từng sensor (TADAP - Task Assignment and Data Advertisement), giao thức phân phối dữ liệu và truy vấn cảm biến (SQDDP - Sensor Query and Data Dissemination) Các phần mềm ứng dụng sẽ được xây dựng

và sử dụng trong lớp ứng dụng tùy vào từng nhiệm vụ của mạng cảm biến

- Lớp truyền tải: Khi mạng cảm biến kết nối với người dùng qua internet hay kết nối với mạng bên ngoài thì lớp truyền tải đặc biệt cần Giao thức lớp vận chuyển giữa sink với người dùng (nút quản lý nhiệm vụ) thì có thể là giao thức gói người dùng (UDP - User Datagram Protocol) hay giao thức điều khiển truyền tải (TCP - Transmission Control Protocol) thông qua internet hoặc vệ tinh Còn giao tiếp giữa sink và các nút cảm biến cần các giao thức kiểu như UDP vì các nút cảm biến bị hạn chế về bộ nhớ Hơn nữa các giao thức này còn phải tính đến sự tiêu thụ công suất, tính mở rộng và định tuyến tập trung dữ liệu

- Lớp mạng: Lớp mạng quan tâm đến việc định tuyến dữ liệu được cung cấp bởi lớp truyền tải Việc định tuyến trong mạng cảm biến phải đối mặt với rất nhiều thách thức như mật độ các nút dày đặc, hạn chế về năng lượng…Do vậy thiết kế lớp mạng trong mạng cảm biến phải theo các nguyên tắc sau:

 Tính hiệu quả về năng lượng luôn được xem là vấn đề quan trọng hàng đầu

 Các mạng cảm biến gần như là tập trung dữ liệu

 Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng

 Phải có cơ chế địa chỉ theo thuộc tính và biết về vị trí

Có rất nhiều giao thức định tuyến được thiết kế cho mạng cảm biến không dây Nhìn tổng quan, chúng được chia thành ba loại dựa vào cấu trúc mạng, đó là định tuyến ngang hàng, định tuyến phân cấp, định tuyến dựa theo vị trí Xét theo hoạt động thì chúng được chia thành định tuyến dựa trên đa đường (multipath-based), định tuyến theo truy vấn (query- based), định tuyến negotiation-based, định tuyến theo chất lượng dịch vụ (QoS-based), định tuyến kết hợp (coherent-based)

- Lớp liên kết dữ liệu: Lớp liên kết dữ liệu chịu trách nhiệm cho việc ghép các kênh dữ liệu, phát hiện khung dữ liệu, điều khiển lỗi và truy nhập môi trường Vì các nút cảm biến có thể di động và môi trường có tạp âm, giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC - Media Access Control) phải chú ý đến vấn đề năng lượng

và phải có khả năng giảm thiểu sự va chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận

- Lớp vật lý: Lớp vật lý chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, phát tần số sóng mang, điều chế, mã hóa dữ liệu và tách sóng

Ngoài ra, các phần quản lý năng lượng, quản lý di chuyển và quản lý nhiệm vụ

sẽ điều khiển việc sử dụng công suất, sự di chuyển và thực hiện nhiệm vụ giữa các nút cảm biến Những phần quản lý này giúp các nút cảm biến phối hợp nhiệm vụ cảm biến và tiêu thụ năng lượng tổng thể thấp hơn

- Phần quản lý năng lượng: điều khiển việc sử dụng năng lượng của nút cảm biến Ví dụ, sau khi thu thập thông tin từ các nút lân cận, nút cảm biến có thể tắt khối thu để tránh lặp lại thông tin Hoặc nút cảm biến sẽ phát thông tin quảng bá cho các nút lân cận là mức năng lượng của của nó quá thấp, để không thể tham gia vào việc chọn đường mà chỉ dùng cho việc cảm biến

- Phần quản lý di động: tìm ra và lưu lại sự di chuyển của các nút cảm biến để ghi vết của các nút cảm biến lân cận Nhờ vậy, các nút cảm biến có thể cân bằng giữa công suất của nó và nhiệm vụ thực hiện

- Phần quản lý nhiệm vụ: Tại cùng một thời điểm không phải tất cả các nút trong vùng đều làm nhiệm vụ mà phần quản lý nhiệm vụ phải lên kế hoạch và phân công cân bằng Như vậy, tùy theo mức năng lượng của từng nút cảm biến mà thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn hay ít hơn các nút khác

Như vậy, để sử dụng hiệu quả năng lượng, định tuyến hợp lý, và phân chia tài nguyên cân đối giữa các nút cảm biến thì những phần quản lý này là cần thiết Ngoài ra, còn có các giao thức đặc trưng hỗ trợ cho mạng WSN: giao thức định vị (Location protocol), giao thức đồng bộ thời gian (Time synchronization protocol), giao thức điều khiển cấu hình mạng (Topology control)

1.3 Một số vấn đề thiết kế mạng cảm biến không dây

Hiện nay, các mạng cảm biến không dây đang đối mặt với nhiều thách thức,

do các nút cảm biến truyền thông vô tuyến, dễ mất mát và không dễ thay thế Một trong những thách thức chủ yếu liên quan đến việc cung cấp năng lượng hạn chế, thường là không thể nạp lại năng lượng của các nút cảm biến Để kéo dài thời gian sống của mạng, các giao thức cần được thiết kế với mục tiêu cải thiện hiệu quả nguồn năng lượng Cụ thể một số vấn đề thiết kế cũng như là thách thức trong mạng cảm biến không dây như sau:

1.3.1 Khả năng chịu lỗi (fault tolerance)

Các nút cảm biến thường được đặt trong điều kiện môi trường nguy hiểm Các nút có thể bị lỗi do nguồn cung cấp năng lượng cho pin giới hạn, hoặc các vấn

đề phần cứng hoặc hư hỏng vật lý Mặc dù một lượng lớn các nút có thể không hoạt động, mạng vẫn duy trì được để xử lý các lỗi Điều này vô cùng quan trọng với thiết

kế giao thức định tuyến, để định tuyến lại các gói tin Tùy vào từng vị trí triển khai các nút cảm biến khác nhau sẽ tạo ra khả năng chịu lỗi khác nhau

1.3.2 Khả năng mở rộng (scalability)

Khi nghiên cứu một hiện tượng nào đó mà sử dụng mạng cảm biến không dây, việc bố trí các nút cảm biến có thể lên đến hàng trăm nghìn nút Tuy nhiên, có thể tùy vào từng ứng dụng mà quy mô cũng như mật độ triển khai có thể vượt quá hàng triệu Do đó, mạng cảm biến không dây cần có các giao thức có khả năng làm việc với số lượng lớn các nút cảm biến này và có thể duy trì hiệu suất đầy đủ

1.3.3 Chi phí sản xuất (production costs)

Để triển khai một ứng dụng, thường cần một số lượng lớn các nút cảm ứng Như vậy, các nút phải có chi phí rẻ thì toàn mạng mới có giá cả hợp lý Nếu so với cách thu thập thông tin truyền thống thì các nút cảm biến của mạng cảm biến không dây phải có giá thành rẻ hơn để có thể cạnh tranh với kiểu truyền thống Do đó, các nút cảm biến được sản xuất phải giữ ở mức thấp

1.3.4 Hạn chế của phần cứng (hardware constraints)

Ngoài các yêu cầu bắt buộc mỗi nút cảm biến phải có: một bộ cảm biến, một đơn vị xử lý, một bộ truyền tải, và một nguồn cung cấp điện Tùy theo từng ứng dụng còn có các thành phần phụ khác đi kèm: hệ thống định vị để định tuyến theo từng vị trí, bộ phận di động, bộ phát nguồn Tuy nhiên, phần cứng còn có nhiều ràng buộc khác như: điện năng tiêu thụ phải rất ít, mật độ hoạt động phải cao, kích thước vật lý của nút phải nhỏ, càng nhỏ càng tốt, chi phí thấp

1.3.5 Cấu hình mạng cảm biến (network topology)

Trong trường cảm biến, có hàng trăm nghìn nút cảm biến được triển khai, có thể đặt theo thứ tự hoặc ngẫu nhiên Nếu cấu hình thay đổi thì vị trí các nút cảm biến cũng thay đổi, những sự cố cũng có thể xảy ra như nhiễu, gặp các vật cản làm các nút có khả năng mất kết nối, thay đổi chức năng, thay đổi các nút bị hỏng đều làm cho mạng hạn chế về khả năng truyền thông, tính toán Vì vậy, cần phải bảo trì cấu hình mạng không những để tránh những hạn chế trên mà còn tránh vấn đề quan trọng nhất là giảm tiêu thụ năng lượng và từ đó kéo dài tuổi thọ mạng

1.3.6 Sink di động

Trong các ứng dụng WSN tập trung, thông tin của các cảm biến được truyền thông đến một trạm cơ sở, nơi nó có thể được xử lý bằng các phương pháp sử dụng nhiều tài nguyên Định tuyến và tổng hợp dữ liệu có thể tiêu tốn nhiều chi phí Một

số WSN sử dụng các trạm thu phát di động [2], đi qua vùng cảm biến để thu thập dữ liệu, hoặc định vị mình sao cho số luồng truyền đi được giảm thiểu cho các nút cảm biến

1.3.7 Tiêu thụ năng lượng

Do các nút cảm biến có nguồn năng lượng giới hạn, đôi khi trong một số ứng dụng nguồn năng lượng không thể nạp lại được Hiện nay, các nhà khoa học đang tập trung nghiên cứu về các giải thuật và giao thức để sử dụng năng lượng hiệu quả, kéo dài tuổi thọ mạng Một giao thức định tuyến hiệu quả là sử dụng sink di động vì các khu vực tiêu thụ năng lượng cao xung quanh sink Tuy nhiên, nó cũng có thể gây ra sự tiêu tốn năng lượng do phải thông báo thường xuyên vị trí của sink (hoặc

vị trí của nó trong cấu trúc liên kết) Do đó, việc thiết kế phần mềm và phần cứng cần phải xem xét cẩn thận về vấn đề sử dụng năng lượng nhằm kéo dài thời gian sống của các nút nói riêng và toàn mạng

1.3.8 Độ tin cậy

Khi Sink di động khi chuyển hướng tới vị trí khác, hoặc cấu hình lại tuyến đường thì khả năng các gói dữ liệu sẽ mất nên sink di động đặt ra một thách thức về độ tin cậy mà các giao thức định tuyến phải giải quyết nhằm tránh tổn thất gói dữ liệu

1.3.9 Độ trễ

Thời gian giữa việc tạo ra dữ liệu cảm biến và sự chuyển tiếp dữ liệu tới sink được định nghĩa là độ trễ Tùy thuộc vào điều kiện mạng (truyền lại do lỗi kênh, tắc nghẽn, ) mà dữ liệu cảm biến có thể thay đổi độ trễ và khoảng cách tới sink Độ trễ khác là do vị trí đã biết của sink đã cũ, hoặc vị trí sink không biết đến các cảm biến tạo ra dữ liệu Vì vậy, cảm biến phải có được vị trí của sink hoặc dữ liệu phải được truyền gián tiếp tương ứng Để có được vị trí sink bởi một cảm biến thì giao thức định tuyến cần thiết phải cung cấp chế độ trễ thấp

1.4.1 Quân sự

Một trong những lợi ích tuyệt vời nhất của mạng cảm biến là để thay thế cho các binh sĩ khỏi nguy hiểm [3] Ngoài ra, các mạng cảm biến không dây còn có chức năng dò tìm mìn, khảo sát chiến trường với sự tấn công bằng chất hóa học, sinh học, vũ khí hạt nhân hoặc các thiết bị có cảm biến từ trường, radar băng thông cực đại, và micro âm thanh Các mạng cảm biến không dây được sử dụng để định vị

và xác định mục tiêu tấn công của lực lượng địch, và xe không người lái

Hình 1 4: Ứng dụng trong quân sự

1.4.2 Công nghiệp

Để tránh rủi ro, nguy hiểm liên quan đến con người trong các nhà máy công nghiệp thì mạng cảm biến không dây sử dụng các nút cảm biến để phát hiện các rò rỉ về hóa chất, vật liệu độc hại, cháy nổ, các tác nhân sinh học nhằm cung cấp cho các bộ phận liên quan giải quyết kịp thời

Hình 1 5: Ứng dụng trong công nghiệp

Trong lĩnh vực quản lý kinh doanh hàng hóa, để lưu trữ, bảo quản, và tránh thất thoát hàng hóa là điều vô cùng cần thiết Vì vậy, các kiện hàng sẽ

được gắn các nút cảm biến Khi kiểm tra hàng hóa, người phụ trách sẽ gửi yêu cầu đến kho lưu trữ, các thông tin về các kiện hàng sẽ được tất cả kiện hàng trả lời Ngoài ra, các nút cảm biến còn dùng để đo nhiệt độ, độ ẩm hoặc dùng để chống trộm như nếu có kiện hàng nào bị dịch chuyển thì cảm biến sẽ hoạt động

Hình 1 6: Ứng dụng ở cảng

1.4.3 Nông nghiệp

Ứng dụng trong trồng trọt: để người nông dân có thể giám sát và chăm sóc, điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng cho phù hợp với việc trồng trọt thì việc gắn các cảm biến để truyền dữ liệu thu được về trung tâm là cần thiết

Hình 1 7: Ứng dụng trong trồng trọt

Ứng dụng trong chăn nuôi: Người chăn nuôi nên trang bị các cảm biến để dễ dàng

theo dõi và giám sát độ ẩm, việc sinh sản của việc chăn nuôi gia súc, gia cầm

Hình 1 8: Ứng dụng trong chăn nuôi

1.4.4 Giám sát môi trường

Nhằm đưa ra những dự báo, cảnh bảo về thiên tai như lũ lụt, hạn hán, động đất, cháy rừng, môi trường biển, khí quyển, sự di cư của các loài động vật Hệ thống giám sát cần đặt những nút cảm biến không dây để theo dõi sự thay đổi của các điều kiện môi trường trên giúp đưa ra những phương án xử lý hiệu quả nhất Chẳng hạn như:

- Để tránh thảm họa cháy rừng: chúng ta nên đặt các cảm biến liên quan đến nhiệt độ, độ ẩm Theo định kỳ thì các cảm biến sẽ gửi thông tin về thiết bị lưu trữ ở trung tâm Tại trung tâm điều hành, sẽ có phần mềm phân tích, cảnh báo để hạn chế tối thiểu thiệt hại do cháy gây ra, bảo vệ tốt nhất tài nguyên thiên nhiên rừng và cho

cả cuộc sống con người

Hình 1 7: Mạng WSN cảnh báo cháy rừng

 Cảnh báo lũ lụt: để cảnh báo lũ lụt sớm, tại các trạm nên đặt các cảm biến về lượng mưa, và mực nước quanh khu vực thường xảy ra lũ lụt để chúng

thường xuyên truyền các thông tin này về trung tâm điều hành từ đó có cách ứng phó kịp thời

 Cảnh báo động đất: Đặt các thiết bị cảm biến tại các vùng thường xảy ra động đất

và núi lửa để theo dõi và cảnh báo các hiện tượng sắp sửa xảy ra cho người dân quanh vùng đối phó nhằm hạn chế các thương vong đáng tiếc có thể xảy ra

Hình 1 8: Ứng dụng nhà thông minh

1.4.6 Sức khỏe

Hiện nay, đã có nhiều ứng dụng của cảm biến không dâyh được áp dụng vào việc phát hiện bệnh sớm như ung thư, huyết áp, tiểu đường, hô hấp…Chẳng hạn, cảm biến được gắn vào cơ thể bệnh nhân, cảm biến sẽ gửi các thông số của bệnh nhân đến các thiết bị theo dõi của bác sĩ để phát hiện bệnh như hô hấp, theo dõi nhịp tim [5] và kiểm tra cân nặng của bệnh nhân [6] Ví dụ khác là cảm biến có thể kiểm tra lượng đường trong máu của người bệnh tiểu đường hoặc bị rối loạn mãn tính [7] Những cảm biến này, còn phát hiện các enzyme, axit nucleic từ đó có nhiều ứng dụng trong y tế Ngoài ra, các thiết bị cảm biến này

có thể phát hiện những vị trí gặp nạn của những người leo núi, hoặc trượt tuyết Tuy nhiên, chúng không cung cấp được tình hình sức khỏe của nạn nhân Gần đây, đã có những nghiên cứu đề xuất cảm biến cần bổ sung thêm oxy và nhiệt

kế để nhân viên cứu hộ có thể phân loại và xác định ưu tiên trợ giúp nạn nhân nào trước

tâm điều khiển để phân tích, xử lý; sau đó, sẽ gửi lại cho các người dùng phương tiện để chọn giải pháp giao thông tối ưu

Hình 1 10: Ứng dụng trong giao thông

Giới thiệu khái quát về mạng cảm biến không dây, về cấu trúc, thành phần của một nút cảm biến trong mạng cảm biến không dây Trình bày các ứng dụng thực tế của mạng không dây trong cuộc sống Bên cạnh đó, mạng cảm biến không dây còn tồn tại một số hạn chế nên cũng cần có hướng nghiên cứu, cải tiến, khắc phục cho từng mô hình mạng cụ thể

CHƯƠNG 2: CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN

Để giải quyết các vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến không dây, đã có nhiều thuật toán mới đưa ra để đáp ứng các yêu cầu về ứng dụng, cấu trúc, và đặc điểm của nó Chương này sẽ trình bày các công trình liên quan đến việc định tuyến trong mạng cảm biến không dây

Các nút cảm biến trong mạng thu thập dữ liệu và truyền dữ liệu đến một trạm

cơ sở (base station hoặc sink nơi xử lý, phân tích, và ra quyết định) theo phương pháp truyền trực tiếp (single-hop) hoặc truyền gián tiếp (multi-hop) (Hình 2.1) Truyền trực tiếp khi phạm vi của các nút cảm biến gần Sink thì phương pháp này khả thi Ngược lại, các nút cảm biến được phân bố ở những khu vực rộng lớn thì phương pháp này sẽ tốn nhiều chi phí, các nút xa trạm sẽ bị tiêu hao năng lượng nhanh chóng và do đó thời gian sống của mạng cũng sẽ giảm Để giảm thiểu lỗi của phương pháp truyền này, thì việc trao đổi giữa các nút cảm biến và Sink được giải quyết bằng phương pháp tiếp cận truyền thông gián tiếp đa chặng

Tùy vào ứng dụng, mà các nút cảm biến được phân bố ngẫu nhiên hay chúng được đặt ở các vị trí xác định trước Nếu dữ liệu đã được định tuyến trước thì giao tiếp giữa các nút và Sink sẽ được thực hiện bằng các tuyến đường đã định trước Đối với, các nút cảm biến được triển khai, hoặc phân tán vào môi trường ngẫu nhiên thì cấu hình mạng không thể đoán trước Vì vậy, các nút này phải tự tổ chức bằng cách trao đổi, kết hợp với nhau để xác định vị trí của chúng, vị trí của các nút lân cận và tự xác định đường đi đến sink

Hình 2 1: Mô hình định tuyến đơn hop và đa hop

2.2 Một số giao thức định tuyến trong WSN

- Thứ 1: Trưởng cụm sẽ tập hợp dữ liệu từ các nút thành viên trong cụm theo

chu kỳ, trong quá trình thu thập dữ liệu trưởng cụm sẽ cố gắng tập hợp dữ liệu để giảm dư thừa về những dữ liệu trùng lắp

- Thứ 2: Trưởng cụm sẽ truyền trực tiếp dữ liệu đã được tập hợp đến các trạm

gốc (BS - Base Station) Việc truyền này được thực hiện theo kiểu đơn chặng (single hop) Trong mạng cảm biến không dây, năng lượng là yếu tố quan trọng nhất để kéo dài tuổi thọ mạng nên khi nút trưởng cụm hết năng lượng thì các nút thành viên trong cụm không thể trao đổi với nhau được nữa Vì vậy, nút trưởng cụm được thay đổi bằng cách xoay vòng lựa chọn để tránh trường hợp một trưởng cụm

cố định hết năng lượng

- Thứ 3: để cảm biến và truyền tin ít tiêu hao năng lượng nhất, Leach tạo ra

mô hình đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access) Đối với cơ chế này, phần lớn thời gian các nút cảm biến sẽ ngủ, khi nào có nhiệm vụ cảm biến hay truyền thông, chúng sẽ chuyển sang trạng thái hoạt động Ngoài ra, trong mỗi một cụm, các nút sẽ được gắn một khe thời gian để truyền tin nên có thể tránh được hiện tượng xung đột xảy ra trong cụm

Quá trình hoạt động của LEACH là chia thành hai pha: pha thiết lập và pha

ổn định [9]

Pha thiết lập (SP - Set up Phase): gồm lựa chọn trưởng cụm và cách hình

thành cụm

 Cách chọn trưởng cụm:

Chức năng của LEACH là phân chia hoạt động thành các vòng, mỗi vòng tương ứng với pha thiết lập để lựa chọn trưởng cụm và thực hiện phân cụm Kế tiếp

là pha ổn định, có nhiệm vụ truyền thông tin từ nút thành viên đến nút trưởng cụm

và đến trạm cơ sở Trong pha thiết lập, vào đầu mỗi vòng, mỗi cảm biến sẽ xem chúng có thể trở thành cụm chủ không (P) bằng cách mỗi nút n sẽ chọn ngẫu nhiên một số trong khoảng từ 0 đến 1 Nếu giá trị ngẫu nhiên này nhỏ hơn giá trị ngưỡng T(n), thì sẽ trở thành cụm chủ cho vòng hiện tại (r), ngược lại nó sẽ không làm cụm chủ Ngưỡng T(n) được xác định theo công thức sau:

 Cách hình thành cụm:

Sau khi chọn được nút trưởng cụm, nó sẽ quảng bá đến các nút lân cận Mỗi nút trưởng cụm đều có ID riêng của nó Nên khi phát tín hiệu cho các nút hàng xóm

sẽ tránh xung đột với các trưởng cụm khác Các nút sẽ chọn trưởng cụm bằng cách dựa vào cường độ phát tín hiệu bản tin quảng bá của nút trưởng cụm, nếu trưởng cụm nào yêu cầu chi phí năng lượng thấp nhất (cường độ tín hiệu cao nhất) thì các nút thành viên sẽ chọn trưởng cụm đó Sau khi chọn mình là thành viên của trưởng

cụm nào, chúng sẽ phát bản tin cho trưởng cụm của cụm đó biết Việc phát tín hiệu của các nút đến các trưởng cụm bằng cách sử dụng một thông điệp sử dụng chiến lược đa truy cập dựa trên cảm nhận sóng mang (CSMA - Carrier sense Multiple Access) để tránh xung đột

Nút trưởng cụm là nơi tổng hợp và xử lý dữ liệu các nút lân cận gửi thông tin tới Trưởng cụm sử dụng phương pháp đa truy cập phân chia thời gian (TDMA - Time Division Multiple Access) để thiết lập thời gian cho các nút thành viên khi nào sẽ gửi thông tin đến trưởng cụm và thời gian này được truyền cho tất cả các nút lân cận trong cụm Phương pháp này, cho phép tránh xung đột giữa các nút thành viên, đồng thời nút nào chưa hoạt động thì ở chế độ nghỉ vì các nút hoạt động theo khe thời gian nên giảm thiểu được vấn đề tiêu hao năng lượng và kéo dài thời gian sống của mạng Khi bản tin TDMA truyền đến hết các nút trong cụm nghĩa là pha thiết lập đã hoàn thành và pha ổn định bắt đầu

Pha ổn định trạng thái (Steady state phase - SSP):

Là nơi thu thập, xử lý dữ liệu, sau đó truyền dữ liệu đến trạm cơ sở Cơ chế hoạt động của nó được chia thành nhiều khung thời gian (Frame), mỗi khung có mỗi khe (slot), mỗi khe phân bổ cho mỗi nút trong một vòng Như vậy, có bao nhiêu nút sẽ có bấy nhiêu khe thời gian

Hình 2 2: Hai pha trong một vòng của giao thức Leach

Số cụm trong giao thức định tuyến LEACH hình thành trong một vòng K được xác định bằng P nhân với tổng số nút trong mạng, nhưng LEACH không đảm bảo

sẽ có K cụm được tạo ra trong mỗi vòng Mặt khác, do trong pha ổn định trạng thái không đưa tham số vị trí vào quá trình lựa chọn trưởng cụm nên không đảm bảo số lượng nút trong cụm vì vậy dữ liệu gửi cho trưởng cụm không đồng đều vì phụ thuộc vào số nút trong cụm

Để hạn chế trường hợp này, trong giao thức định tuyến LEACH mỗi cụm sẽ

sử dụng cơ chế đa truy cập phân chia theo mã (CDMA - Code Division Multiple Access) Một cụm có duy nhất một mã CDMA (hay còn gọi là mã trải phổ (spread code)) Khi các nút trong cụm truyền dữ liệu đến trưởng cụm phải dùng mã này Căn cứ vào mã này, trưởng cụm sẽ lọc ra các thành viên trong cụm hoặc các nút có

mã bị trùng

Khi truyền dữ liệu đến sink trưởng cụm sẽ sử dụng mã này và phương pháp CDMA để xem có trưởng cụm nào khác đang phát dữ liệu không nhằm tránh xung đột với các trưởng cụm khác Nếu có, thì trưởng cụm phải đợi ngược lại mới tiến hành truyền dữ liệu tới trạm BS

Tổng hợp dữ liệu:

Nhằm thu được những dữ liệu hữu ích tránh dữ liệu dư thừa, hoặc trùng lắp Tùy thuộc vào mạng hoặc năng lượng tiêu thụ để tổng hợp dữ liệu và năng lượng sử dụng để truyền những thông tin đó mà vị trí tổng hợp có thể thực hiện ở trạm BS hay tại trưởng cụm Nếu năng lượng truyền dữ liệu lớn thì nên xử lý dữ liệu tại trưởng cụm trước để tránh tiêu hao năng lượng của toàn hệ thống, tiếp theo mới truyền dữ liệu về trạm gốc để tối ưu năng lượng hơn

 Nhược điểm:

 Trong một vòng, số lượng cụm có thể khác nhau Kết quả, có những vòng

có nhiều cụm được tạo ra, trong khi những vòng khác lại không có cụm nào, dẫn đến việc truyền dữ liệu đến trạm gốc không liên tục

 Chọn trưởng cụm không xem xét đến vị trí của nút mạng, nên dễ xảy ra trường hợp chồng chéo hoặc nằm gần nhau giữa các trưởng cụm làm ảnh hưởng đến hiệu quả mạng

 Chọn trưởng cụm không quan tâm đến năng lượng còn lại của nút nên nút trưởng cụm có thể là nút có năng lượng thấp nhất

2.2.2 LEACH_C

Nhằm khắc phục những nhược điểm của LEACH truyền thống, LEACH_C ra đời và được đánh giá cao về khả năng ứng dụng của nó trong mạng cảm biến không dây [8]

Pha ổn định thì LEACH_C kế thừa từ LEACH, chỉ khác ở pha thiết lập Việc chọn trưởng cụm ở LEACH_C là do trạm gốc BS thực hiện, trong khi LEACH chọn trưởng cụm là do ngẫu nhiên

Chọn trưởng cụm CH:

LEACH truyền thống, không đảm bảo được vị trí cũng như số lượng trưởng cụm cân bằng trong mạng vì việc chọn trưởng cụm tùy thuộc vào tỷ lệ phần trăm các nút mong muốn trở thành trưởng cụm

LEACH_C, trạm gốc sẽ dựa trên thông tin của các nút gửi về để phân cụm và lựa chọn trưởng cụm Hơn nữa, trạm gốc có thể bổ sung tham số, cho biết năng lượng dự trữ của nút và sử dụng các thuật toán tối ưu để phân cụm và chọn trưởng cụm

Hình thành cụm và truyền dữ liệu:

Cụm được hình thành khi trạm gốc chọn được các cụm chủ thích hợp, cụm chủ sẽ gửi ID của mình để quảng bá đến các nút trong mạng Mỗi nút sẽ kiểm tra xem ID của mình có giống ID trong thông tin quảng bá không Nếu giống, nút đó sẽ làm cụm chủ trong vòng hiện tại, ngược lại sẽ đợi thông tin quảng bá từ cụm chủ