Xác định các node ranh giới và lỗ hổng phủ sóng trong mạng cảm biến không dây

Xác định các vùng không được bao phủ bởi các vùng phủ sóng trong mạng cảm biến không dây thông qua việc xác định các node ranh giới của vùng đó. Giới thiệu 2 thuật toán tối ưu trong việc xác định các node ranh giới và thuật toán DW để xác định các lỗ phủ sóng.

XÁC ĐỊNH CÁC NODE RANH GIỚI VÀ LỖ

PHỦ SÓNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN

KHÔNG DÂY

Giảng viên: TS Nguyễn Trần Minh Thư Học viên: 1512010 – Phạm Văn Tú

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

1512010 - Paper # 09

NỘI DUNG

Giới thiệu Mục tiêu Các định nghĩa Thuật toán DSCS Thuật toán DW Thực nghiệm và đánh giá Kết luận

2

1512010 - Paper # 09 3

1

Giới thiệu Mạng cảm biến không dây

1512010 - Paper # 09

1 Giới thiệu

Gồm tập hợp các thiết bị

cảm biến sử dụng các liên

kết không dây (vô tuyến,

hồng ngoại hoặc quang

học) để phối hợp thực hiện

nhiệm vụ thu thập thông

tin dữ liệu phân tán với quy

mô lớn trong bất kỳ điều

kiện và ở bất kỳ vùng địa

lý nào

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network)

4

1512010 - Paper # 09

1 Giới thiệu

- Giám sát và điều khiển công nghiệp

- Tự động hoá gia đình và điện dân dụng

- Triển vọng của mạng cảm biến không dây trong quân sự

- Hỗ trợ trong y tế và giám sát sức khoẻ

- Bảo vệ môi trường và phát triển ngành nông nghiệp

- …

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network)

5

1512010 - Paper # 09 6

2 Mục tiêu bài báo

• Lỗ phủ sóng làm giảm hiệu suất của mạng cảm biến không dây

như làm giảm kết nối, mất cân bằng tải và làm cho việc chuyển

tiếp dữ liệu giữa các node ranh giới gặp khó khăn

ngày càng gia tăng về số lượng và kích thước

7

1512010 - Paper # 09

2 Mục tiêu

Làm sao để xác định được các lỗ phủ sóng đó?

8

1512010 - Paper # 09 10

3 Các định nghĩa

được triển khai một cách

ngẫu nhiên trong vùng giám

1512010 - Paper # 09

3 Các định nghĩa

Định nghĩa 1: Tập node hàng xóm (neighbor set)

Xét tập Nk(vi) là tập các node là hàng xóm k bước nhảy của node vi Node

vu được gọi là node hàng xóm k bước nhảy của node vi nếu vuNk(vi)

Nk(vi) = (1)

(2)

là tập lấy hợp của các node hàng xóm ở 1 bước nhảy và 2 bước nhảy của node vi

Kí hiệu |N1,2(vi)| là số node của tập N1,2(vi).

là khoảng cách Euclidean giữa node vi và vu.

•  

12

1512010 - Paper # 09

3 Các định nghĩa

Định nghĩa 2: Vùng cảm biến

(sensing area)

Vùng cảm biến của node v i kí hiệu là

S(vi) được xác định theo công thức:

1512010 - Paper # 09

3 Các định nghĩa

15

Định nghĩa 2: Vùng cảm

biến (sensing area)

Vùng cảm biến của node vi

được bao bởi đường nét đứt

Đường nét đứt là ranh giới

vùng cảm biến giữa các

node, kí hiệu

•  

1512010 - Paper # 09

3 Các định nghĩa

Định nghĩa 3: Góc tuyệt đối (absolute angle)

Góc tuyệt đối của vm là góc tạo bởi giữa tia vix và tia vivm

Kí hiệu:

hoặc với k là vị trí của node vm trong N1,2(vi)

•  

16

1512010 - Paper # 09 17

1512010 - Paper # 09

3 Các định nghĩa

18

Định nghĩa 4: Góc tâm (central angle)

Là góc tạo bởi giữa tia vivm và tia vivn

Kí hiệu:

•  

1512010 - Paper # 09

3 Các định nghĩa

19

Định nghĩa 5: Khu vực cảm biến (sensing sector)

𝑆(v𝑖) có thể được chia thành = 1, , 𝑘 (𝑘 = 1, , |𝑁 (𝑘 (𝑘 = 1, , |𝑁 |𝑁1,2(v𝑖)|) khu vực của 𝑁1,2(v𝑖)

Khu vực cảm biến thứ k được kí hiệu là

Nếu góc tâm tương ứng với là thì có thể được kí hiệu là

•  

1512010 - Paper # 09 20

1512010 - Paper # 09

3 Các định nghĩa

22

• Định nghĩa 7: (nút điều tra (ItN)).

ItN là node đã thu thập các thông tin node hàng xóm và đã sẵn sàng để thực hiện các thuật toán phát hiện node ranh giới

1512010 - Paper # 09

3 Các định nghĩa

23

Định nghĩa 8: (nút ranh giới (BN))

Một nút được gọi là một BN nếu nó nằm trên ranh giới của lỗ

hoặc ranh giới ngoài của WSNs

Một tập hợp các nút ranh giới được ký hiệu là BNs

Nếu một nút không phải là một BN, gọi là một Non-BN;

Tập hợp các nút không nằm trên ranh giới được ký hiệu là

Non-BNs

1512010 - Paper # 09 24

mà không được bao phủ bởi các

khu vực cảm biến của bất kỳ nút

nào khác trong A

1512010 - Paper # 09

3 Các định nghĩa

27

Trường hợp 1:

1512010 - Paper # 09

3 Các định nghĩa

28

Trường hợp 2:

1512010 - Paper # 09

3 Các định nghĩa

29

Trường hợp 2:

1512010 - Paper # 09

3 Các định nghĩa

30

Trường hợp 3:

1512010 - Paper # 09

3 Các định nghĩa

31

Trường hợp 3:

1512010 - Paper # 09 32

4 Xác định node ranh giới

Thuật toán DSCS

1512010 - Paper # 09

4 Thuật toán DSCS

- Trước khi thực hiện thuật toán DSCS thì các node sẽ thu thập thông tin của các node xung quanh trong A

- Mỗi node cần thu thập thông tin của các node hàng xóm

1 và 2 bước nhảy Trong đó có vị trí và ID của các node hàng xóm

Xác định các node ranh giới (BN)

33

1512010 - Paper # 09

4 Thuật toán DSCS

- Mỗi node (người gửi) cùng ID và vị trí của mình sẽ phán tán thông điệp lời chào của mình tới các node trong phạm vi

giao tiếp của mình

- Sau đó các node hàng xóm (người nhận) sẽ tính toán khoảng cách (d’) giữa chúng và gửi lại

- Nếu (d’) thỏa công thức (1) (k=1) thì sẽ đưa node đó vào danh sách node hàng xóm 1 bước nhảy của người gửi và đồng thời node nhận sẽ gửi (unicast) ID và vị trí của mình cho node gửi.

Xác định các node ranh giới (BN)

34

1512010 - Paper # 09

4 Thuật toán DSCS

35

1512010 - Paper # 09

4 Thuật toán DSCS

36

Góc tuyệt đối của

4 điều kiện góc tuyệt đối

Node ranh giới

Đường bao của S(vi) được bao phủ

Không phải Node

1512010 - Paper # 09

Thí dụ DSCS

39

Tính góc tuyệt đối của

mỗi node trong

1512010 - Paper # 09

Thí dụ DSCS

40

Kiểm tra 4 điều kiện của

góc tuyệt đối của các

node

Không node nào thỏa

1512010 - Paper # 09

Thí dụ DSCS

41

Kiểm tra đường ranh giới

của S(v1) có được bao phủ

1512010 - Paper # 09 42

5 Xác định lỗ phủ sóng

Thuật toán DW

1512010 - Paper # 09

5 Thuật toán DW

- Bước 1 Khởi tạo một hàng đợi rỗng Q để

lưu trữ các node trong các bước sau

đối thuộc vào [3π / 2, 2π]

Xác định lỗ phủ sóng

43

1512010 - Paper # 09

5 Thuật toán DW

Nếu có, vc sẽ chọn node có góc tuyệt đối nhỏ nhất làm node kế nhiệm nó (kí hiệu là vsu), vsu giờ sẽ là một vc

mới và sẽ được đưa vào hàng đợi Q

Nếu không, thay đổi phạm vi của góc tuyệt đối là [0, π / 2] và lặp lại quy

trình trên Nếu có không tồn tại vsutrong N1(vc ) thì lặp lại quá trình tìm kiếm tương tự trong N2(vc )

Xác định lỗ phủ sóng

44

1512010 - Paper # 09

5 Thuật toán DW

Bước 3 Lặp lại bước 2 cho đến khi v𝑐

không thể tìm thấy vsu của nó nữa

Sau đó thay đổi phạm vi của góc tuyệt

đối thành [π / 2, π] và thực hiện các

thủ tục tương tự như ở bước 1

45

1512010 - Paper # 09

5 Thuật toán DW

vsu đầu tiên được tìm thấy trong thủ

tục này được gọi là node uốn đầu tiên

Các thủ tục tìm kiếm sẽ được tiếp tục

trong phạm vi [0, π]

46

1512010 - Paper # 09

5 Thuật toán DW

Bước 4 Nếu vsu của v𝑐 không thể được

tìm thấy trong bước 3, thay đổi phạm vi

góc tuyệt đối thành [π, 3π / 2] và tiếp

tục quá trình tìm kiếm như trong Bước 3

Trong thủ tục này, node tìm thấy đầu

tiên được đánh dấu là node uốn thứ hai

và sau đó là quá trình tìm kiếm được

tiếp tục trong phạm vi [π / 2, 3π / 2]

47

1512010 - Paper # 09

5 Thuật toán DW

Bước 5 Khi vsu của v𝑐 không thể được tìm

thấy trong bước 4, thay đổi phạm vi góc

tuyệt đối [3π / 2, 2π] và lặp lại các thủ tục

tìm kiếm tương tự như ở bước 4

Nếu node đầu tiên được tìm thấy trong

các thủ tục là vst hoặc node hàng xóm ở 1

hoặc 2 bước nhảy của node vst

Khi đó, thủ tục tìm kiếm sẽ hoàn thành

48

1512010 - Paper # 09

5 Thuật toán DW

Bước 6 Kiểm tra hàng đợi Q nếu có bất kỳ node trong 𝑄

có người hàng xóm 2 bước nhảy của nó giống như vsu của

nó, chèn một node chuyển tiếp là hàng xóm 1 bước nhảy của cả node đó và vsu của nó

Đồng thời, tổng các khoảng cách giữa các node và node chuyển tiếp này, khoảng cách giữa các node chuyển tiếp

và vsu sao cho nhỏ nhất Node chuyển tiếp có thể là BN

Non-49

1512010 - Paper # 09

5 Thuật toán DW

Bước 7 Hủy bỏ tất cả các nút trong và node hàng xóm 𝑄

1 bước nhảy của nó từ BNs

Bước 8 Nếu BNs = ⌀, lặp lại các thủ tục từ bước 1-7 cho

đến khi tập BNs là trống hay số lượng các node còn lại

trong tập là δ (trong thực tế thực nghiệm δ = 2)

50

1512010 - Paper # 09

5 Thuật toán DW

51

1512010 - Paper # 09 52

Bước 3: Lặp lại bước 2

cho đến khi không tìm

thấy vc nào nữa

Xét trong phạm vi tìm

được vc đầu tiên v24, là

điểm uốn đầu tiên

1512010 - Paper # 09

Thí dụ DW

59

v3 làm node uốn đầu

tiên theo bước 3 với

1512010 - Paper # 09 63

6 Thực nghiệm và đánh giá

1512010 - Paper # 09

6 Thực nghiệm và đánh giá

64

Cả hai thuật toán DSCS và DW được mô phỏng trong

MATLAB 2013b trên nền tảng của Windows 7 Trong mô

phỏng, các node cảm biến được triển khai một cách ngẫu nhiên trong một hình vuông được giám sát, kích thước của

nó là từ 100 m × 100 m đến 500 m × 500 m Số lượng các node được triển khai trong khoảng 200-2.000

1512010 - Paper # 09

6 Thực nghiệm và đánh giá

65

So sánh cách phát hiện

1512010 - Paper # 09

6 Thực nghiệm và đánh giá

66

So sánh cách phát hiện

1512010 - Paper # 09

6 Thực nghiệm và đánh giá

67

So sánh cách phát hiện

1512010 - Paper # 09

6 Thực nghiệm và đánh giá

68

So sánh tỷ lệ phát hiện đúng

1512010 - Paper # 09

6 Thực nghiệm và đánh giá

69

So sánh tỷ lệ phát hiện sai

1512010 - Paper # 09

6 Thực nghiệm và đánh giá

70

So sánh độ phức tạp thuật toán

1512010 - Paper # 09 76

Cảm ơn cô

và các bạn!

1512010 - Paper # 09 77