Mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây

Viện Công Nghệ Thông Tin Và Truyền Thông

BÁO CÁO THỰC TẬP CHUYÊN NGÀNH

Hà Nội, 05/2012

MỤC LỤC

M C L C Ụ Ụ 2

L I NÓI Ờ ĐẦ U 3

I T NG QUAN V M NG C M BI N KHÔNG DÂY Ổ Ề Ạ Ả Ế 4

1.Gi i thi u : ớ ệ 4

2 ng d ng c a m ng c m bi n Ứ ụ ủ ạ ả ế 4

3 C u trúc c a m ng c m bi n ấ ủ ạ ả ế 5

4 Ch c n ng c a m ng c m bi n không dây ứ ă ủ ạ ả ế 6

5 Các thách th c và tr ng i : ứ ở ạ 7

II TÌM HI U M T S GIAO TH C GIAO TH C C B N TRONG M NG C M Ể Ộ Ố Ứ Ứ Ơ Ả Ạ Ả BI N KHÔNG DÂY Ế 9

1 LEACH 9

1.1 Đặ c đi m ể 9

1.2 Hai pha ho t đ ng ạ ộ 9

2 ARPEES 10

2.1 Đặ c đi m ể 10

2.2 Hai pha ho t đ ng ạ ộ 11

III CÀI ĐẶ T MÔ PH NG GIAO TH C Ỏ Ứ ĐỊ NH TUY N Ế 19

1 Giao th c l a ch n mô ph ng ứ ự ọ ỏ 19

2 Môi tr ườ ng cài đ t ặ 19

3 Mô hình chung c a m ng ủ ạ 19

4 Xây d ng các mô đun ự 19

4.1 Base station 19

4.2 Sensor node 20

4.3 Event 25

4.4 Các lo i messages ạ 26

4.5 Các thi p l p ban đ u c a m ng ế ậ ầ ủ ạ 26

5 K t qu th nghi m trên ph n m m ế ả ử ệ ầ ề 27

K T LU N Ế Ậ 31

TÀI LI U THAM KH O Ệ Ả 32

LỜI NÓI ĐẦU

Sự phát triển của Internet, truyền thông và công nghệ thong tin kết hợp với những tiến bộ kĩ thuật gần đây đã tạo điều kiện cho các thế hệ cảm biến mới với giá thành thấp, khả năng triển khai quy mô lớn với độ chính xác cao Trong tương lai, mạng cảm biến không dây sẽ có thể tích hợp hàng triệu cảm biến vào hệ thống để cải thiện chất lượng và thời gian sống nhằm mục tiêu mang đến sự tiện nghi và cải thiện chất lượng sống cho con người

Trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, em đã lựa chọn và đi sâu vào nghiên cứu và mô phỏng các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây Do thời gian tìm hiểu đề tài chưa được nhiều nên những vấn đề em đã nghiên cứu và trình bày ở đây mới chỉ dừng lại ở những khía cạnh hết sức tổng quan về mạng cảm biến không dây và đi sâu vào mô phỏng giao thức định tuyến đã có sẵn,chưa

có những sự sáng tạo mới và còn nhiều thiếu sót Vì thế, em rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô để đề tài ngày càng hoàn thiện hơn

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Huy Hoàng, cô Ngô Quỳnh Thu

đã giúp đỡ và hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đề tài này

Hà Nội, tháng 5,năm 2012 Sinh viên

Nguyễn Quỳnh Anh

I TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

1.Giới thiệu :

Mạng cảm biến vô tuyến (WSN) có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các node với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến (RF connection) trong đó các node mạng thường là các thiết bị đơn giản , nhỏ gọn, giá thành thấp và có số lượng lớn, được phân bố một cách không có hệ thống (non-topology) trên một diện tích rộng ,sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu dài (vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong

Các node mạng thường có chức năng sensing (sensor node): cảm ứng, quan sát môi trường xung quanh như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng theo dõi hay định vị các mục tiêu cố định hoặc di động Các node giao tiếp ad-hoc với nhau và truyền dữ liệu về trung tâm (base station) một cách gián tiếp bằng kỹ thuật multi-hop

Lưu lượng (traffic) dữ liệu lưu thông trong WSN là thấp và ko liên tục Do vậy để tiết kiệm năng lượng, các sensor node thường có nhiều trạng thái hoạt động (active mode) và trạng thái nghỉ (sleep mode) khác nhau Thông thường thời gian 1 node ở trạng thái nghỉ lớn hơn ở trạng thái hoạt động rất nhiều

Như vậy, đặc trưng cơ bản nhất để phân biệt 1 mạng cảm biến và 1 mạng wireless khác chính là giá thành, mật độ node mạng, phạm vi hoạt động, cấu hình mạng (topology), lưu lượng dữ liệu, năng lượng tiêu thụ và thời gian ở trạng thái hoạt động (active mode)

2 Ứng dụng của mạng cảm biến

WSN được ứng dụng đầu tiên trong các lĩnh vực quân sự Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp điều khiển tự động, robotic, thiết bị thông minh, môi trường, y tế WSN ngày càng được sử dụng nhiều trong hoạt động công nhiệp và dân dụng Một số ứng dụng cơ bản của WSN:

- Cảm biến môi trường (quân sự: phát hiện mìn, chất độc, dịch chuyển quân địch công nghiệp: hệ thống chiếu sáng, độ ẩm, phònh cháy, chống rò rỉ ; dân dụng: hệ thống điều hòa nhiệt độ, chiếu sáng )

- Điều khiển (quân sự: kích hoạt thiết bị, vũ khí quân sự ;công nghiệp: điều khiển tự động các thiết bị, robot )

- Theo dõi, giám sát, định vị (quân sự: định vị, theo dõi sự dịch chuyển thiết bị, quân đội )

- Môi trường (giám sát lũ lụt, bão, gió, mưa phát hiện ô nhiễm, chất thải )

- Y tế (định vị, theo dõi bệnh nhân, hệ thống báo động khẩn cấp )

- Hệ thống giao thông thông minh: giao tiếp giữa biển báo và phương tiện giao thông,

hệ thống điều tiết lưu thông công cộng, hệ thống báo hiệu tai nạn, kẹt xe hệ thống định

vị phương, trợ giúp điều khiển tự động phương tiện tiện giao thông

- Gia đình (nhà thông minh: hệ thống cảm biến, giao tiếp và điều khiển các thiết bị thông minh )

WSN tạo ra môi trường giao tiếp giữa các thiết bị thông minh, giữa các thiết bị thông minh và con người và giao tiếp giữa các thiết bị thông minh và các hệ thống viễn thông khác (hệ thống thông tin di động, internet )

3 Cấu trúc của mạng cảm biến

Một node trong mạng WSN thông thường bao gồm 2 phần: phần cảm biến (sensor) hoặc điều khiển và phần giao tiếp vô tuyến (RF transceiver)

Do giới hạn về nguồn năng lượng cung cấp (pin ), giá thành và yêu cầu hoạt động trong một thời gian dài, nên vấn đề tiêu thụ năng lượng là tiêu chí thiết kế quan trọng nhất trong mạng cảm biến:

- Lớp vật lý (physical layer) tương đối đơn giản, gọn nhẹ do ràng buộc về kích thước và khả năng tính toán của node Kỹ thuật điều chế tín hiệu số : O-QPSK, FSK cải thiện hiệu suất bộ khuếch đại công suất Các kỹ thuật mã hóa sữa sai phức tạp như Turbo Codes, LDPC không được sử dụng, kỹ thuật trãi phổ được sử dụng để cải thiện SNR ở thiết bị thu và giảm tác động của fading của kênh truyền

- Lớp MAC: kỹ thuật đa trua cập TDMA hoặc CSMA-CA hiệu chỉnh với mục đích giảm năng lượng tiêu thụ

- Routing layer: "power aware" Routing Protocol, geography routing

WSN thường được triển khai trên một phạm vi rộng, số lượng node mạng lớn và được phân bố một cách tương đối ngẫu nhiên, các node mạng có thể di chuyển làm thay đổi sơ

đồ mạng do vậy WSN đò hỏi 1 sơ đồ mạng (topology) linh động (ad-hoc, mesh, star )

và các node mạng có khả năng tự điều chỉnh, tự cấu hình (auto-reconfigurable)

Trong một số WSN thông dụng (giám sát, cảm biến, môi trường ) địa chỉ ID các node chính là vị trí địa lý và giải thuật routing dựa vào vị trí địa lý này gọi là Geography routing protocol (GRT) Đối với mạng với số lượng lớn các node, sơ đồ mạng không ổn định GRT giúp đơn giản hóa giải thuật tìm đường, giảm dữ liệu bảng routing (routing table) lưu trữ tại các node GRT phù hợp với các WSN cố định, tuy nhiên đối với các node di động (địa chỉ ID node thay đổi) giao thức routing trở nên phức tạp và không ổn định

Cluster hoá: phân chia mạng diện rộng (hàng trăm, hàng ngàn node) thành các clusters

để ổn định topology của mạng, đơn giản hóa giải thuật routing, giảm đụng độ (collission) khi truy cập vào kênh truyền (medium acess) nên giảm được năng lượng tiêu thụ , đơn giản hóa việc quản lý mạng và cấp phát địa chỉ cho từng node mạng (theo cluster)

Do giới hạn khả năng tính toán của từng node mạng cũng như để tiết kiệm năng lượng,

WSN thường sử dụng các phương pháp tính toán và xử lý tín hiệu phi tập trung (giảm tải cho node gần hết năng lượng) hoặc gửi dữ liệu cần tính toán cho các base station (có khả năng xử lý tín hiệu mạnh và ít ràng buộc về tiêu thụ năng lượng).

4 Chức năng của mạng cảm biến không dây

- Định tuyến và phổ biến dữ liệu

Giao thức định tuyến cho WSNs rơi vào 3 nhóm: dữ liệu trung tâm, kiến trúc mạng, và căn cứ vào vị trí Các quy ước về tập hợp dữ liệu đến từ các nguồn khác nhau qua đường truyền Điều này cho phéo hạn chế sự dư thừa trong mạng, làm giảm số đường truyền, giảm năng lượng tiêu thụ Vấn đề quan tâm trong xử lí nội mạng, ngay khi dữ liệu đang được truyền nhằm tăng hiệu quả sử dụng năng lượng của toàn hệ thống Băng thông bị giới hạn, khả năng cung cấp công suất các node bị hạn chế hay giá thành cao Để giải quyết vấn đề này, cần có quá trình xử lí tại nguồn trước khi chuyển qua các node lân cận, chỉ truyền thông tin tóm tắt, ngắn gọn, tổng hợp nhất

Quản lí dữ liệu phụ thuộc vào kiến trúc dữ liệu, quản lí cơ sở dữ liệu, kĩ thuật truy vấn

và lưu trữ dữ liệu Trong môi trường mạng truyền thống, dữ liệu được thu thập đến trung tâm để lưu trữ khi có yêu cầu được gửi đi Trong các mạng phức tạp hơn, các yêu cầu theo thời gian thực, cần có các kĩ thuật được xây dựng dùng cho các mô hình kưư trữ dữ liệu phân bố Dữ liệu cần được đánh chỉ số cho việc kiểm tra (theo không gian và thời gian) hiệu quả hơn

có nguồn pin Lượng năng lượng có sẵn trong mỗi sensor bị giới hạn ở một mức nào đó nên sự đồng bộ hóa chỉ nhận được khi duy trì đủ năng lượng cho hoạt động hiệu quả của các sensor này.

Trong mạng cảm biến, năng lượng cho xử lý dữ liệu ít hơn nhiều so với việc truyền nó đi Hiện nay việc truyền thông vô tuyến bị giới hạn bởi tốc độ dữ liệu khoảng 10-100 Kbits/s Sự giới hạn về băng thông này ảnh hưởng trực tiếp đến việc truyền thông tin giữa các sensor Và nếu không có sự truyền thông tin này thì không thể đồng bộ hóa được

Phần cứng của các nút cảm biến thường bị giới hạn do kích cỡ nhỏ của nó Một nút cảm biến tiêu biểu như hạt bụi Berkeley Mica2 (hình 1.5) có một pin mặt trời nhỏ, CPU 8 bit hoạt động ở tốc độ 10MHz, bộ nhớ từ 128KB đến 1MB, và phạm vi truyền

dưới 50m Sự hạn chế về năng lượng tính toán và không gian lưu trữ đặt ra một thách thức to lớn Đó là ta không thể tăng kích cỡ của nút cảm biến vì chi phí sẽ tăng và tiêu thụ thêm năng lượng, gây khó khăn trong triển khai hàng nghìn nút trong mạng.

 Các phương tiện truyền không dây không được bảo vệ khỏi nhiễu bên ngoài nên

có thể dẫn đến mất mát một lượng lớn thông tin

 Giới hạn dải thông khi truyền vô tuyến và kết nối không liên tục

 Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào sự di động của các nút nên việc định lại cấu hình động trở nên cần thiết

• Sự kết hợp chặt chẽ giữa sensor và môi trường tự nhiên

WSNs dùng để giám sát các hiện tượng trong thế giới thực nên việc thiết kế mạng phải thích ứng với các các đặc trưng của môi trường mà nó cảm nhận WSNs phải được thiết kế phù hợp với từng ứng dụng như kiểm tra trong quân đội, cảnh báo cháy rừng; dùng loại sensor nào để đo nhiệt độ, ánh sáng, âm thanh hay độ ẩm tùy từng loại ứng dụng

Thách thức lớn nhất trong mạng cảm biến là nguồn năng lượng bị giới hạn và không thể nạp lại Hiện nay rất nhiều nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng trong từng lĩnh vực khác nhau Trong mạng cảm biến, năng lượng được sử dụng chủ yếu cho 3 mục đích: truyền dữ liệu, xử lý dữ liệu và đảm bảo cho phần cứng hoạt động Không dừng lại ở đó, người ta cũng mong muốn phát triển quá trình xử lý năng lượng một cách hiệu quả, giảm thiểu tối đa các yêu cầu về năng lượng

qua các mức của protocol stack, các bản tin truyền qua mạng để điều khiển và phối hợp mạng.

II TÌM HIỂU MỘT SỐ GIAO THỨC GIAO THỨC CƠ BẢN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

1 LEACH

1.1 Đặc điểm

Giao thức LEACH: là một thuật toán phân nhóm phân bậc cho các mạng cảm biến gọi là Phân nhóm phân bậc tương thích, nă ng lượng thấ p – LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) LEACH lựa chọn ngẫu nhiên một số nút cảm biến để trở thành các nút chính và quay vòng vai trò này để phân bố đều tải nă ng lượng giữa các nút cảm biến trong mạng Ở LEACH, các nút chính nén các dữ liệu đến từ các nút khác trong nhóm của chúng và gửi các gói dữ liệu thu thập này tớ i trạm gốc nhằ m mục đích giảm

số lượng thông tin truyền phát về trạm gốc Việc thu thậ p số liệu được thực hiện tập trung và theo chu kỳ Do vậy giao thức này thực sự thích ứng khi có nhu cầu trao đổi theo dõi thường xuyên của mạng cảm biến Thực tế , người sử dụng có thể không cần tất

cả số liệu ngay lập tức, cho nên việc truyền phát số liệu theo chu kỳ là không cần thiết và

có thể làm suy giảm nguồn nă ng lượng giới hạn của các nút cảm biến Sau một khoảng thời gian cho trước, việc quay vòng ngẫu nhiên thay đổi vai trò của nút chính được tiến hành sao cho có sự tiêu tán năng lượng đều giữa các nút cảm biến trong mạng Dựa vào

mô hình mô phỏng mạng của các tác giả , chỉ có 5 % số nút cần thiết hoạt động ở dạng nút chính

1.2 Hai pha hoạt động

Hoạt động của LEACH được phân tách thành hai pha, pha thiết lập và pha ổn định trạng thái Ở trong pha thiết lập, các nhóm được tổ chức và các nút chính được lựa chọn Còn

ở giai đoạn ổn định trạng thái, việc truyền số liệu thực sự về các trạm gốc được tiến hành Khoảng thời gian tồn tại của pha ổn định trạng thái thường dài hơn so với thời gian thiết lập ban đầu để giảm tối thiểu tổng chi phí Trong pha thiết lập, một số lượng nhỏ các nút được xác định trước, p, tự quyết định

chúng trở thành các nút chính như sau Một nút cả m biến chọn lấy một số ngẫu nhiên, r , trong phạ m vi 0 và 1 Nếu số ngẫu nhiên này nhỏ hơn giá trị ngưỡng, T(n) , thì nút đó

sẽ trở thành nút chính ở vòng hiện tại Giá trị ngưỡng được tính toán dựa trên một biểu thức toán học có sự kết hợp phần tră m mong muốn trở thành nút chính, vòng hiện tại, và

tập hợp các nút chưa được lựa chọn làm nút chính ở vòng trước đó – tập G T(n) được xác định:

Tất cả các nút chính được lựa chọn phát quảng bá một bản tin thông báo tới tất cả các nút còn lại trong mạng rằng chúng là các nút chính mới Các nút khác, không phải là nút chính sau khi nhận được bản tin thông báo này sẽ quyết định thuộc về một nhóm nào

đó mà chúng muốn Quyết định này dựa trên cường độ tín hiệu của bản tin thông báo Các nút không phải là nút chính sẽ thông báo cho các nút chính thích ứng rằng chúng sẽ

là thành viên của nhóm Sau khi thu nhận được tất cả các bản tin từ các nút muốn gia nhập nhóm và dựa trên số lượng các nút thành viên của nhóm, nút chính sẽ tạ ra một định thời TDMA, và cấp cho mỗi nút một khe thời gian khi nó truyền phát Định thời (Schedule) được quảng bá tới tất cả các nút của nhóm

Trong giai đoạn ổn định trạng thái, các nút cảm biến bắt đầu cảm biến và truyề n phát số liệu về các nút chính Các nút chính, sau khi thu tất cả các số liệu, tập hợp chúng lại trước khi gửi đến trạm gốc Sau một khoả n thời gian nhất định nào đó được xác định trước, mạng sẽ quay trở lại trạng thái thiết lập và bắt đầu một vòng lựa chọn các nút chính mới Ở đây các nhóm trao đổi thông tin với nhau bằng việc sử dụng các mã CDMA để giảm nhiễu từ các nút thuộc các nhóm khác

LEACH cung cấp một mô hình tốt mà các thuật toán nội bộ và tập hợp dữ liệu có thể được thực hiện trong các nút chính được lựa chọn một cách ngẫu nhiên Điều này làm giảm quá tải thông tin và cung cấp một tập hợp tin cậy các số liệu cho người sử dụng cuối cùng Các tác giả của LEACH cũng đã chỉ ra rằ ng LEACH góp phần giả m đáng kể nă

ng lượng tiêu thụ và kéo dài hơn thời gian hoạt động của mạng cảm biế n so với trường hợp mạng gồm các nhóm cố đị nh

2 ARPEES

2.1 Đặc điểm

Nét đặc trưng trong thiết kế giao thức ARPEES là đáp ứng thích nghi giữa tối ưu hóa năng lượng, phân cụm theo sự kiện, và truyền tải đa nút Mục tiêu của giao thức là tìm ra tuyến đường truyền tải tối ưu cho dữ liệu đã được tập hợp tới trạm gốc có tính đến quan

hệ tradeoff giữa lượng năng lượng còn lại(tối ưu hóa) của nút chuyển giao và khoảng cách từ nút chuyển giao tới trạm gốc(tuyến đường ngắn nhất) Năng lượng và khoảng

cách được dùng làm 2 tham số cho việc lựa chọn tuyến đường truyền tải.Các thông số chi phí của giao thức như sau:

- Năng lượng tiêu thụ và cân bằng tải: mục tiêu là giảm tiêu thụ năng lượng ở các nút có phần năng lượng dự trữ thấp hơn bằng cách phân tán năng lượng tiêu thụ cho việc tập hợp,thu thập dữ liệu, truyền tải cho các nút khác nhau

- Cách tiếp cận động và phân tán: xây dựng thuật toán phân cụm phân tán theo yêu cầu, trong đó các thông số được cảm biến của sự kiện hay đối tượng được sử dụng để phân cụm Một nút có thể đưa ra quyết định mà không cần có sự điều khiển tập trung Với phương thức phân cụm động theo sự kiện, các cụm được tạo thành dựa trên địa điểm và thời gian sự kiện xảy ra trong môi trường Do đó, kích thước của phần hoạt động trong mạng sẽ biến thiên và số lượng cụm không phụ thuộc vào số lượng các nút trong mạng Thêm vào đó phương thức này giúp tiết kiệm năng lượng bởi chỉ một phần của mạng được kích hoạt phản ứng lại một sự kiện

- Tuyến đường tối ưu: số lượng các nút trung gian trên đường truyền hoặc chi phí liên kết được sử dụng làm thông số chi phí để chọn ra tuyến đường tối ưu

- Khả năng thích ứng: khả năng này có nghĩa giao thức có khả năng đáp ứng tốt cho các ứng dụng lớn với sự thay đổi nhanh của topo mạng chống lại lỗi liên kết Việc thêm vào các nút mới thay thế cho các nút lỗi không nên ảnh hưởng đến mạng đang hoạt động

- Kiểm soát overhead: giao thức phải tối thiểu hóa các trao đổi điều khiển cần thiết cho việc phân cụm, lựa chọn cụm trưởng và xử lý trên nút chuyển giao

- Tối ưu hóa: tuyến đường lựa chọn bởi giao thức có ảnh hưởng tới hiệu năng mạng về độ trễ, lưu lượng thực và độ tiết kiệm năng lượng Để đạt tối ưu hóa giao thức cần phải tính toán tới năng lượng pin, bộ nhớ, băng thông…

Hoạt động của ARPEES được chia thành các vòng, mỗi vòng bao gồm 2 pha được thể hiện trong hình 2 : pha thành lập cụm và lựa chọn cụm trưởng theo sau bởi pha truyền tải

dữ liệu trong đó dữ liệu được truyền tới trạm gốc qua các nút chuyển giao

2.2 Hai pha ho t đ ng ạ ộ

a Pha thành lập cụm và thuật toán lựa chọn cụm trưởng:

Ban đầu, tất cả các nút mạng ở trạng thái nghỉ để tiết kiệm năng lượng Khi một sự kiện được phát hiện trong mạng, các nút gần vị trí xảy ra sự kiện được kích hoạt và sẽ tiến hành đo đạc thuộc tính đã được chỉ định cảm biến Nếu giá trị nhân tố cảm biến cao hơn mức ngưỡng định trước, các nút đó sẽ thực thi thuật toán để nhóm cụm và chọn cụm

trưởng Các nút quảng bá gói tin REQ_CLUSTER tới các nút hàng xóm Bản tin này bao gồm ID của nút, mức năng lượng còn lại và thông tin mô tả dữ liệu cảm biến được sự kiện:

REQ_CLUSTER{ID(i),ERes(i),I(i)} (5)

Sau đó các nút sẽ đặt bộ đếm thời gian tới t1 Trong khoảng thời gian t1,mỗi nút sẽ nhận bản tin REQ_CLUSTER từ tất cả các nút trong cụm và thực thi hàm chọn Cluster_Head như sau:

FCH(i) = ERes(i) x I(i) , với mọi i thuộc X (6)

MaxFCH(i) -> Cluster Head

Trong đó X là tập các nút được kích hoạt bởi sự kiện

Khi khoảng thời gian t1 kết thúc, nút có giá trị FCH(i) lớn nhất sẽ tự bầu nó làm cụm trưởng Cụm trưởng sẽ lưu trữ ID của tất cả các nút trong tập các nút được kích hoạt

X, và lập 1 lịch TDMA để sắp xếp cho từng nút lần lượt gửi dữ liệu tới cụm trưởng Chức năng của lịch là tránh việc xung đột trong truyền tải dữ liệu và đồng bộ hóa giữa các nút bên trong cụm Các nút còn lại tự đặt mình làm nút thành viên và chờ đợi để nhận lịch TDMA từ cụm trưởng Với lịch đã được sắp xếp, các nút có thể tắt các thành phần thu nhận tín hiệu ngoại trừ trong khoảng thời gian truyền tải dữ liệu

Hình 1 : Lưu đồ của trạng thái thứ nhất

Hình 2 : hình thành cụm dựa trên sự kiện và thuật toán lựa chọn cụm trưởng.

Trong hình 2a, nút từ n1 đến n9 xác định sự kiện và chuyển sang trạng thái hoạt động sau

đó quảng bá các bản tin REQ_CLUSTER để trao đổi thong tin Ở hình 2b chúng ta chỉ minh họa nút n2 và n5 quảng bá dữ liệu 2c: nút n5 trở thành cụm trưởng và quảng bá bản tin về lịch TDMA tới các nút trong mạng 2d: các thành viên trong cụm lần lượt gửi dữ liệu cảm biến về cụm trưởng theo những khe thời gian sắp xếp trong lịch

Thuật toán ở đây đảm bảo nút với mức năng lượng còn lại lớn nhất và gần nhất với

sự kiện xảy ra được lựa chọn làm cụm trưởng Thêm nữa chúng ta chỉ sử dụng một loại bản tin để tạo cụm và chọn cụm trưởng Do đó có thể làm giảm số lượng các bản tin điều khiển gây ra overhead đồng thời giản lượng dữ liệu truyền tải từ các nút tới cụm trưởng (sẽ được mô tả ở pha sau) bởi cụm trưởng là nút ở gần sự kiện và đã thu thập được sẵn nhiều dữ liệu hơn các nút ở xa sự kiện

b Pha thu thập dữ liệu

Ở pha này chúng ta sử dụng các nút trung gian để chuyển tiếp các gói tin từ cụm trưởng tới trạm gốc Các nút trung gian này lần lượt phải quyết định hàng xóm nào sẽ nhận gói tin chuyển tiếp Pha truyền dữ liệu bao gồm ba hoạt động chính:

Thu thập dữ liệu bên trong cụm:

Sử dụng lịch TDMA, mỗi nút cảm biến chuyển các thông tin cảm biến tới cụm trưởng trong khe thời gian truyền dữ liệu đã được định trước Một cách đơn giản nhất để tiết kiệm năng lượng là tắt bộ thu nhận khi không trong quá trình truyền tải Cụm trưởng bắt buộc phải liên tục nhận dữ liệu từ các nút trong cụm Một vấn đề cốt lõi ở đây là các nút cảm biến được nhón lại thành cụm bao quanh sự kiện: việc truyền tải sẽ tiêu tốn mức năng lượng thấp nhất do khoảng cách giữa cụm trưởng và các nút cảm biến là nhỏ

Một vấn đề khác ở đây là độ ưu tiên của mỗi nút trong lịch TDMA Như đã đề cập trước đó, mỗi cụm trưởng có thông tin về mô tả dữ liệu trong bản tin của tất cả các nút khác thuộc cụm - I(i) Nhờ đó nó có thể sắp xếp thứ tự và khoảng thời gian cho từng nút truyền tải dữ liệu Nút có nhiều mô tả dữ liệu sẽ truyền tải trước với nhiều khe thời gian hơn các nút khác Theo sự sắp xếp này, tất cả các nút sẽ được phân khe thời gian nhất định để cảm biến môi trường và truyền tải dữ liệu cảm biến về cụm trưởng

Thực hiện thu thập dữ liệu

Năng lượng dùng trong xử lý dữ liệu ít hơn rất nhiều so với năng lượng để truyền tải dữ liệu Do đó việc thu thập dữ liệu bằng cách xử lý cục bộ là rất quan trọng để tối thiểu hóa năng lượng sử dụng Để tránh việc truyền tải dữ liệu dư thừa, cụm trưởng thực hiện việc tổng hợp dữ liệu từ dữ liệu thu thập được, và theo đó giảm lượng dữ liệu thô cần gửi tới trạm gốc Dữ liệu né, cùng với các thông tin được yêu cầu bởi trạm gốc, được truyền tới trạm gốc theo kiểu multi-hop

Lựa chọn nút chuyển tiếp và hình thành tuyến đường

Trong giao thức này, cụm trưởng sau khi có gói tin sẵn sàng truyền đi sẽ lựa chọn nút chuyển tiếp để gửi tới trạm gốc với tuyến đường multi-hop thay cho việc truyền trực tiếp gói tin như giao thức LEACH

Đầu tiên, cụm trưởng sẽ quảng bá bản tin REQ_RELAY tới tất cả các nút trong phạm vi kết nối của nó để tìm kiếm nút chuyển tiếp Mỗi nút nhận bản tin REQ_RELAY sẽ tính toán mức năng lượng còn lại của nó và khoảng cách tới trạm gốc, ghi kết quả vào bản tin

ACK_RELAY và gửi lại cho cụm trưởng Cụm trưởng đợi nhận hết các gói tin ACK_RELAY từ các nút ứng cử làm nút chuyển tiếp và kiểm tra xem nó có thể truyền trực tiếp dữ liệu tới trạm gốc hay không Nếu không cụm trưởng sẽ thực hiện chức năng Relay_Node để chọn nút chuyển tiếp.Nút chuyển tiếp mong muốn cần thỏa mãn 1 số đặc điểm:

- Nút chuyển tiếp có mức năng lượng còn lại lớn nhất

- Nút chuyển tiếp càng gần trạm gốc càng tốt Việc này có nghĩa nó có khoảng cách lớn nhất so với cụm trưởng và khoảng cách ngắn nhất tới trạm gốc

- Tuyến đường multi-hop gần như là đường thẳng giữa cụm trước và trạm gốcSau khi nhận bản tin REQ_RELAY từ tất cả các ứng cử viên, cụm trưởng sẽ có được thông tin cần thiết về cấu trúc mạng 1-hop (cấu trúc mạng liền kề) Tiếp theo cụm trưởng

sẽ tính toán hàm Relay_Node để lựa chọn nút chuyển tiếp tốt nhất Hàm được định nghĩa như sau:

Trong đó:

ERes(j) : năng lượng còn lại của nút ứng cử j

d(CH,j) và d(j,BS) : khoảng tới từ cụm trưởng tới j và khoảng cách từ

j tới trạm gốc

Y: tập các ứng cử viên để lựa chọn nút chuyển tiếp trong phạm vi tín

hiệu của cụm trưởng

αj là giá trị góc giới hạn tạo bởi nút j, cụm trưởng và trạm gốc

cos αj có thể tính được thông qua biểu thức: