Tiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong các ứng dụng mạng cảm biến không dây yêu cầu thời gian tới hạn (tt)

Tiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong các ứng dụng mạng cảm biến không dây yêu cầu thời gian tới hạnTiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong các ứng dụng mạng cảm biến không dây yêu cầu thời gian tới hạnTiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong các ứng dụng mạng cảm biến không dây yêu cầu thời gian tới hạnTiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong các ứng dụng mạng cảm biến không dây yêu cầu thời gian tới hạnTiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong các ứng dụng mạng cảm biến không dây yêu cầu thời gian tới hạnTiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong các ứng dụng mạng cảm biến không dây yêu cầu thời gian tới hạnTiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong các ứng dụng mạng cảm biến không dây yêu cầu thời gian tới hạnTiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong các ứng dụng mạng cảm biến không dây yêu cầu thời gian tới hạnTiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong các ứng dụng mạng cảm biến không dây yêu cầu thời gian tới hạnTiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong các ứng dụng mạng cảm biến không dây yêu cầu thời gian tới hạn

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

HỒ HỮU TRUNG

TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ

TRONG CÁC ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN

KHÔNG DÂY YÊU CẦU THỜI GIAN TỚI HẠN

Chuyên Ngành: HỆ THỐNG THÔNG TIN

Mã số: 60.48.01.04

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.Hồ Chí Minh – 2016

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Công Hùng

Phản biện 1:

Phản biện 2:

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: …… giờ …… ngày …… tháng …… năm ……

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây mạng cảm biến không dây đã và đang phát triển chóng mặt và đạt được nhiều thành tựu về mặt nghiên cứu và ứng dụng thực tế Đó là các lĩnh vực về y tế, quân sự, môi trường, giao thông… Trong một tương lai không xa, các ứng dụng của mạng cảm biến sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống con người nếu chúng ta phát huy được hết các điểm mạnh mà không phải mạng nào cũng có được như mạng cảm biến.Tuy nhiên mạng cảm biến đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức, một trong những thách thức lớn nhất đó là nguồn năng lượng bị giới hạn và không thể nạp lại Đặc biệt xét về khía cạnh tiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong các ứng dụng mạng cảm biến không dây yêu cầu thời gian tới hạn là một lĩnh vực thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học Chính

vì thế đồ án sẽ trình bày các thuật toán liên quan, đề nghị một phương án đề xuất cải tiến thuật toán cũ và đánh giá kết quả dựa trên lý thuyết và các kết quả mô phỏng

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) trở nên nổi tiếng với sự tiến bộ của công nghệ MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), các bộ cảm biến có nguồn năng lượng pin hỗ trợ các thiết bị rất nhỏ vì thế năng lượng hạn chế dẫn đến việc tiêu thụ năng lượng và truyền nhận dữ liệu trong khoảng thời gian cho phép là một vấn đề quan trọng trong WSN Tất cả các cảm biến cảm nhận môi trường và truyền dữ liệu đến trạm gốc (Base Station - BS), mỗi cụm có một chủ cụm (Cluster-Head - CH) sẽ giao tiếp với tất cả các thành viên trong cụm CH sẽ truyền toàn bộ dữ liệu đến BS, trong kỹ thuật phân cụm có thể làm giảm chi phí thông tin liên lạc của các nút bởi vì các nút chỉ cần gửi dữ liệu đến khu vực gần chủ cụm Tuy nhiên CH sẽ dùng năng lượng nhiều hơn so với các nút bình thường

để giao tiếp với BS Các chuyên gia đã và đang nghiên cứu cải thiện về thuật toán tối ưu để tối ưu hóa hiệu suất nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng của mạng cảm biến

Hai vấn đề quan trọng cơ bản được đề cập là giảm thiểu tiêu thụ năng lượng và giảm thời gian chậm trễ trong truyền dữ liệu để tối ưu hóa tuổi thọ mạng Kỹ thuật Clustering [1] đã nổi lên như một lựa chọn phổ biến để đạt được hiệu quả năng lượng và khả năng mở rộng trong các mạng cảm biến quy mô lớn [2-4] Sử dụng phương pháp Clustering, cảm biến có thể được quản lý tại địa phương bằng một cụm (Cluster), một CH để quản lý các cụm và chịu trách nhiệm về thông tin liên lạc giữa các cụm và các trạm cơ sở Clustering cung cấp một khuôn khổ thuận lợi cho việc quản lý tài nguyên Clustering có thể hỗ trợ nhiều tính năng quan trọng trong một cụm thiết bị, chẳng hạn như truy cập kênh cho các thành viên

trong cụm và kiểm soát quyền lực, định tuyến và tách mã để tránh nhiễu liên cụm Hơn nữa,

nó giúp phân phối trách nhiệm quản lý từ trạm gốc đến đầu cụm các thiết bị [5]

Trong những năm gần đây, có rất nhiều các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây được sử dụng mà một vài trong số đó đã xem xét việc các ứng dụng mạng yêu cầu thời gian tới hạn trong việc truyền dữ liệu là quan trọng [6-11] Trong mạng cảm biến không dây dữ liệu tập hợp từ các dữ liệu có liên quan (hoặc từ nhiều dữ liệu tương ứng) sẽ làm giảm một lượng lớn lưu lượng dữ liệu trên mạng, tránh quá tải thông tin, tạo ra một tín hiệu chính xác hơn và đòi hỏi ít năng lượng hơn so với gửi tất cả các dữ liệu chưa qua xử lý bên trong mạng

Đề tài “Tiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong các ứng dụng mạng cảm biến không dây yêu cầu thời gian tới hạn” với mục đích giảm khoảng cách giữa CH và các nút thành viên trong cụm để tiết kiệm năng lượng tiêu thụ và kéo dài thời gian sống cho mạng cảm biến vô tuyến

Nội dung đề tài gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về WSN

Chương 2: Các nghiên cứu tiết kiệm năng lượng bằng phương pháp phân cụm

Chương 3: Phương pháp định tuyến tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến

Chương 4: Mô phỏng và đánh giá

Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ WSN

1.1 Giới thiệu Wireless Sensor Networks [12]

Mạng cảm biến (Wireless Sensor Networks-WSN) là hệ thống ít tốn chi phí, không đòi hỏi năng lượng cao, đa chức năng và các nút cảm biến kích thước nhỏ có thể kết hợp với nhau để cảm biến môi trường, xử lý dữ liệu và giao tiếp không dây qua một khoảng cách ngắn Các cảm biến thường được sử dụng để giám sát vật lý hoặc các yếu tố môi trường như nhiệt độ,

âm thanh, rung động, sự chuyển động hoặc ô nhiễm tại các khu vực khảo sát Một số các cảm biến có thể di chuyển, bằng cách gắn các cảm biến này vào các thiết bị di động, như đã đạt được trong dự án Robomote [13]

Sự phát triển của WSN ban đầu chỉ được thúc đẩy trong những ứng dụng quân sự như giám sát chiến trường Tuy nhiên, WSN hiện đang được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp

và dân dụng, bao gồm cả giám sát và điều khiển quá trình xử lý công nghiệp, máy theo dõi sức khỏe, môi trường và môi trường sống, quản lý thiên tai, các ứng dụng chăm sóc sức khỏe, điều khiển giao thông và tự động hóa nhà

Một mạng cảm biến không dây là một mạng bao gồm nhiều nút cảm biến nhỏ có giá thành thấp và tiêu thụ năng lượng ít, giao tiếp thông qua các kết nối không dây, có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán nhằm mục đích thu thập, tập trung dữ liệu để đưa ra các quyết định toàn cục về môi trường tự nhiên

1.2 Mô tả tổng quát hệ thống WSN

1.3 Cấu trúc mạng cảm biến

1.3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến

1.3.2 Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến

các phần quản lý công suất, quản lý di động và quản lý tác vụ sẽ giám sát việc sử dụng công suất, sự di chuyển và thực hiện nhiệm vụ giữa các nút cảm biến hoạt động tốt hơn Kiến trúc này được mô tả như hình 1.6

Hình 1.6: Mô hình kiến trúc phân lớp của WSN

1.5.6 Miền quản lý chức năng, quản lý sự di chuyển, quản lý công suất

1.6 Thách thức về tiết kiệm năng lượng của mạng cảm biến không dây

1.7 Kết luận chương 1

Mạng cảm biến ngày càng phát triển và được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống Tuy nhiên WSN vẫn còn một số hạn chế về nguồn năng lượng, vì thế các nhà nghiên cứu đã và đang tìm hiểu về các giải thuật và giao thức để giúp tiết kiệm nguồn năng lượng trong mạng cảm biến tốt hơn

Chương 2 – CÁC NGHIÊN CỨU TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG

 Các nút phân bố một cách ngẫu nhiên và tự hình thành các cụm

 Việc truyền dữ liệu được điều khiển bởi nút chủ cụm của cụm đó

 Quá trình thu thập và xử lý một phần dữ liệu sẽ diễn ra ở các nút thành viên sau đó nút chủ cụm sẽ tổng hợp và xử lý dữ liệu trước khi truyền về trạm gốc

Hình 2.1: Mô tả giao thức LEACH

2.1.2 Tự động cấu hình hình thành cụm

a) Lựa chọn nút chủ của cụm

b) Pha thiết lập (Set-up Phase)

c) Pha duy trì trạng thái – pha ổn định (Steady- State Phase)

d) Tổng hợp dữ liệu (Sensor Data Aggregation)

2.2 Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy-Centralized (LEACH-C)

LEACH–C cũng giống như LEACH thông thường, nó chỉ khác ở pha thiết lập cụm và nút chủ cụm, còn pha ổn định thì giống với LEACH Trong LEACH thì mỗi nút sẽ có 1 xác suất

để nó có thể được chọn làm nút chủ cụm (đã trình bày ở trên) Ở LEACH–C thì cụm và nút chủ cụm do BS lựa chọn

Mỗi nút tự nó quyết định sẽ ở trong cụm nào, giải thuật này không đảm bảo được vị trí cũng như số lượng nút chủ trong toàn mạng Tuy nhiên, việc dùng một giải thuật điều khiển trung tâm để hình thành cụm có thể tạo ra các cụm tốt hơn với các nút chủ phân tán trên toàn mạng Giải thuật này gọi là LEACH–C LEACH–C có pha ổn định giống với LEACH (các nút gửi dữ liệu tới nút chủ và nút chủ tổng hợp dữ liệu rồi gửi về trạm gốc), nó chỉ khác LEACH ở pha thiết lập cụm

2.3 Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems (PEGASIS)

2.3.1 Tổng quan về giao thức PEGASIS [7]

PEGASIS là họ giao thức định tuyến và tập hợp thông tin cho mạng WSN PEGASIS thực hiện 2 nhiệm vụ:

 Kéo dài thời gian sống cho mạng

 Đồng bộ năng luợng tại tất cả các nút mạng và giảm độ trễ các gói dữ liệu

PEGASIS áp dụng trên mô hình mạng bao gồm tập hợp các nút được phân bố đồng nhất trên một vùng địa lý Trong đó mỗi nút đều biết được thông tin về vị trí các nút khác trong toàn mạng Bên cạnh đó chúng cũng có khả năng điều khiển công suất và bao phủ một vùng tùy ý Các nút này cũng được trang bị bộ thu phát sóng sử dụng công nghệ CDMA

Trách nhiệm của các nút này là thu lượm và truyền dữ liệu đến các trạm gốc Mục đích để phát triển một cấu trúc định tuyến và một sơ đồ tập trung dữ liệu để giảm thiểu sự tiêu thụ công suất và truyền dữ liệu được tập trung đến trạm gốc với trễ truyền dẫn nhỏ nhất trong khi vẫn cân bằng sự tiêu thụ công suất giữa các nút trong mạng

Dùng PEGASIS sẽ giải quyết được vấn đề về mào đầu gây ra bởi việc hình thành các cụm động trong LEACH, giảm được số lần truyền và nhận bằng việc tập hợp dữ liệu Tuy nhiên PEGASIS lại có độ trễ đường truyền lớn đối với các nút ở xa trong chuỗi Hơn nữa ở nút chính có thể xảy ra hiện tượng thắt cổ chai

2.3.2 Nhược điểm của giao thức PEGASIS

2.4 Threshold-sensitive Energy Efficeent sensor Network protocol (TEEN)

TEEN [8] là giao thức hiệu quả năng lượng cảm nhận mức ngưỡng được đưa ra cho các ứng dụng phụ thuộc thời gian Trong giao thức này các nút cảm biến liên tục cảm nhận môi trường, nhưng gửi dữ liệu không thường xuyên Nút chủ cụm gửi cho các thành viên trong cụm của nó một giá trị ngưỡng cứng (hard threshold) là giá trị ngưỡng của thuộc tính được cảm nhận và một giá trị ngưỡng mềm là lượng thay đổi nhỏ về giá trị của thuộc tính làm cho nút chuyển sang chế độ phát dữ liệu Giá trị ngưỡng cứng là để giảm sự truyền dẫn bằng cách chỉ cho phép nút truyền khi thuộc tính cảm nhận trong một phạm vi thích hợp Ngưỡng mềm

để giảm thêm nữa số lần truyền dẫn khi có sự thay đổi rất ít của thuộc tính cần đo (khi sự thay đổi nhỏ hơn ngưỡng mềm thì không truyền dữ liệu) Giá trị ngưỡng mềm càng nhỏ thì độ chính xác của mạng càng cao, nhưng chi phí năng lượng cũng tăng Do đó cần phải hài hòa giữa độ chính xác và sự tiêu thụ năng lượng Khi các nút chủ cụm thay đổi, các giá trị ngưỡng

sẽ thay đổi và được truyền bá Nhược điểm chính của giao thức này là nếu các nút không nhận được các giá trị ngưỡng của CH gửi tới thì nút này sẽ không gửi dữ liệu, vì vậy CH sẽ không thể nhận dữ liệu toàn mạng Ngoài ra, nó còn phân định khe thời gian khi tất cả các nút đều bật bộ phát và gửi dữ liệu cùng lúc, nút không phân biệt được nút bị hư hỏng hay nó không cảm nhận được sự thay đổi lớn giá trị thuộc tính

2.5 Energy Efficient Cluster-Chain based Protocol for Time Critical

applications (ECCPTC) [9]

ECCPTC được đề xuất nhằm tiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong các ứng dụng mạng cảm biến không dây yêu cầu thời gian tới hạn trong các cụm-chuỗi của mạng, để tối đa hóa tuổi thọ mạng, giảm thiểu tiêu thụ năng lượng và giảm thời gian truyền dữ liệu quan trọng ECCPTC xem xét ưu tiên cao hơn cho dữ liệu thời gian quan trọng so với dữ liệu không gian quan trọng vì vậy thời gian mà dữ liệu quan trọng ngay lập tức được chuyển đến các trạm gốc ECCPTC sử dụng một giá trị ngưỡng để giảm sự chậm trễ truyền dữ liệu thời gian quan trọng ECCPTC tổ chức các nút cảm biến thành các cụm và tạo thành một chuỗi giữa các nút cảm biến, trong cụm mỗi nút cảm biến nhận được từ một nutút hàng xóm trước và truyền cho một nút hàng xóm kế tiếp Đứng đầu nhóm được bầu dựa trên năng lượng còn lại của các nút, khoảng cách từ các nút láng giềng và số những nút hàng xóm của các nút ECCPTC cũng thông qua một cơ chế truyền dữ liệu chuỗi cho việc gửi các gói dữ liệu từ chủ cụm thiết bị đến trạm gốc Thông qua mô phỏng tương phản với những kết quả trước đó, giao thức đề xuất ECCPTC có thể làm tốt hơn trong việc kéo dài tuổi thọ mạng, thời gian ổn định, tiết kiệm tiêu

thụ năng lượng, tăng tổng số các dữ liệu nhận được ở trạm gốc, giảm sự chậm trễ truyền dữ liệu theo thời gian và thông tin liên lạc quan trọng nhằm giảm chi phí chung

2.6 Kết luận chương 2

Phần này đề tài đã nêu các cơ sở lý thuyết toán học và các thuật toán được áp dụng

để tính toán khả năng tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến bên cạnh đó cũng đã đề cập đến các công trình mới nghiên cứu trong khoảng thời gian gần đây, bên cạnh những ưu điểm thì vẫn còn tồn tại những khuyết điểm chưa thể khắc phục chính điều này đề tài sẽ tập trung nghiên cứu và đề nghị một phương án đề xuất mới dựa trên cái cũ nhằm đem lại một kết quả tốt hơn

Chương 3 – PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG

LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN

3.1 Giới thiệu

Mặc dù mạng cảm biến có khá nhiều điểm tương đồng so với các mạng ad-hoc có dây và không dây nhưng chúng cũng biểu lộ một số các đặc tính duy nhất mà tạo cho chúng tồn tại thành mạng riêng Chính những đặc tính này làm cho sự tập trung mũi nhọn vào yêu cầu thiết

kế các giao thức định tuyến mới mà khác xa so với các giao thức định tuyến trong các mạng adhoc có dây và không dây Việc nhằm vào đặc tính này đã đưa ra một tập các thách thức lớn

và riêng đối với WSN

3.2 Thách thức trong vấn đề định tuyến

3.3 Các vấn đề về thiết kế giao thức định tuyến

Mục đích chính của mạng cảm biến là truyền thông dữ liệu trong mạng trong khi cố gắng kéo dài thời gian sống của mạng và ngăn chặn việc giảm các kết nối bằng cách đưa ra những

kỹ thuật quản lý năng lượng linh hoạt Trong khi thiết kế các giao thức định tuyến, chúng ta thường gặp phải các vấn đề sau

3.3.1 Đặc tính thay đổi thời gian và trật tự sắp xếp của mạng

3.3.2 Ràng buộc về tài nguyên

3.3.3 Mô hình dữ liệu trong mạng cảm biến

3.3.4 Cách truyền dữ liệu

3.4 Tiết kiệm năng lượng trong phương pháp phân cụm

Gần đây, các kỹ thuật phân cụm khác nhau được sử dụng để giảm tiêu thụ năng lượng của các nút cảm biến đã được phát triển mạnh Nhóm một số lượng lớn các cảm biến thành các cụm và giữ cho chúng giao tiếp thường xuyên là khá phức tạp Ở đây đề tài tập trung sử dụng giao thức LEACH để làm cơ sở nghiên cứu

3.4.1 Lựa chọn nút chủ cụm

3.4.2 Mô hình sử dụng năng lượng

3.5 Thuật toán cải tiến

Trong quá trình tìm hiểu thuật toán LEACH và các thuật toán khác tôi nhận thấy rằng, mức

độ muốn trở thành nút chủ cụm trong một vòng phải được xem xét lại trong trường hợp bình

thường lẫn trong trường hợp đặc biệt (mức năng lượng của nút sau nhiều vòng vẫn ở mức cao) Tôi đề xuất mức độ muốn trở thành nút chủ cụm trong một vòng với hai trường hợp như sau:

Trường hợp 1 xác suất nút chủ cụm được bầu bởi nút normal với k bit dữ liệu tôi gọi đó là

pn

𝑘 + 𝑑𝑜 ∗ 𝑞 ∗ log (𝑛𝑟) (3.7) Khi đó xác xuất nút normal được bầu làm chủ cụm là như sau:

𝑇(𝑆𝑝𝑛) = {

𝑝𝑛

1 − 𝑝𝑛 ∗ (𝑟𝑚𝑜𝑑𝑝𝑛1)

𝑖𝑓 𝑆𝑝𝑛 ∈ 𝐺0

𝑇(𝑆𝑝𝑎) = {

𝑝𝑎

1 − 𝑝𝑎 ∗ (𝑟𝑚𝑜𝑑𝑝𝑎1 )

𝑖𝑓 𝑆𝑝𝑎 ∈ 𝐺0

(3.10)

Trong đó:

𝑝: mức độ mong muốn trở thành nút chủ cụm trong một vòng (0<𝑝<1)

𝑑𝑜: khoảng cách từ BS tới nút nhận

𝑞: sai số xảy ra, giá trị này rất nhỏ ở mức 0,01

m: tỷ lệ phần trăm nâng cao của nút