Nghiên Cứu Một Giao Thức Định Tuyến Nhằm Đảm Bảo Sự Cân Bằng Năng Lượng Giữa Các Nút Trong Mạng Cảm Biến Không Dây (LV thạc sĩ)

Nghiên Cứu Một Giao Thức Định Tuyến Nhằm Đảm Bảo Sự Cân Bằng Năng Lượng Giữa Các Nút Trong Mạng Cảm Biến Không Dây (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Một Giao Thức Định Tuyến Nhằm Đảm Bảo Sự Cân Bằng Năng Lượng Giữa Các Nút Trong Mạng Cảm Biến Không Dây (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Một Giao Thức Định Tuyến Nhằm Đảm Bảo Sự Cân Bằng Năng Lượng Giữa Các Nút Trong Mạng Cảm Biến Không Dây (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Một Giao Thức Định Tuyến Nhằm Đảm Bảo Sự Cân Bằng Năng Lượng Giữa Các Nút Trong Mạng Cảm Biến Không Dây (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Một Giao Thức Định Tuyến Nhằm Đảm Bảo Sự Cân Bằng Năng Lượng Giữa Các Nút Trong Mạng Cảm Biến Không Dây (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Một Giao Thức Định Tuyến Nhằm Đảm Bảo Sự Cân Bằng Năng Lượng Giữa Các Nút Trong Mạng Cảm Biến Không Dây (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Một Giao Thức Định Tuyến Nhằm Đảm Bảo Sự Cân Bằng Năng Lượng Giữa Các Nút Trong Mạng Cảm Biến Không Dây (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Một Giao Thức Định Tuyến Nhằm Đảm Bảo Sự Cân Bằng Năng Lượng Giữa Các Nút Trong Mạng Cảm Biến Không Dây (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Một Giao Thức Định Tuyến Nhằm Đảm Bảo Sự Cân Bằng Năng Lượng Giữa Các Nút Trong Mạng Cảm Biến Không Dây (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Một Giao Thức Định Tuyến Nhằm Đảm Bảo Sự Cân Bằng Năng Lượng Giữa Các Nút Trong Mạng Cảm Biến Không Dây (LV thạc sĩ)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

BÙI HOÀNG MAI

NGHIÊN CỨU MỘT GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN

NHẰM ĐẢM BẢO SỰ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG GIỮA CÁC NÚT TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

(Theo định hướng ứng dụng)

TP.HCM - 2017

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

BÙI HOÀNG MAI

NGHIÊN CỨU MỘT GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN

NHẰM ĐẢM BẢO SỰ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG GIỮA CÁC NÚT TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Chuyên ngành: Hệ thống thông tin

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp HCM, Ngày 22 tháng 05 năm 2017 Học viên thực hiện luận văn

Bùi Hoàng Mai

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin gởi lời cảm ơn đến PGS TS Trần Công Hùng, phó trưởng phòng Phòng Đào tạo và Khoa học công nghệ, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông cơ sở Tp Hồ Chí Minh Thầy đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

Chân thành cảm ơn quý Thầy Cô trong khoa Công nghệ thông tin – Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn Thông cơ sở Tp Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy, trang bị cho tôi những kiến thức quý báu trong thời gian tôi học tại Học Viện

Sau cùng, xin cảm ơn chị Phan Thị Thể, gia đình, các anh chị, bạn bè và đồng nghiệp đã ủng hộ, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn

Xin trân trọng cảm ơn!

Tp HCM, Ngày 22 tháng 05 năm 2017 Học viên thực hiện luận văn

Bùi Hoàng Mai

MỤC LỤC

Trang LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii

DANH MỤC CÔNG THỨC viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 3

1.1Giới thiệu 3

1.2 Khái niệm, ứng dụng mạng WSN 5

1.3 Kiến trúc mạng cảm biến 7

1.3.1 Cấu tạo của nút cảm biến 7

1.3.2 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây 8

1.3.3 Mục tiêu thiết kế mạng cảm biến và tiêu chí đánh giá 9

1.4 Khó khăn trong việc phát triển mạng không dây 12

1.4.1 Giới hạn năng lượng 12

1.4.2 Giới hạn về giải thông 12

1.4.3 Giới hạn về phần cứng 12

1.4.4 Ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài 12

1.5 Định tuyến trong WSN 12

1.6 Tổng kết chương 13

CHƯƠNG 2 - KỸ THUẬT PHÂN CỤM TRONG WSN 14

2.1 Khái niệm 14

2.2 Ưu điểm của kỹ thuật phân cụm 15

2.3 Các vấn đề được xem xét khi xây dựng thuật toán dựa trên phân cụm 15

2.3.1 Quá trình lựa chọn cluster head (CH) 16

2.3.2 Quá trình hình thành phân cụm 16

2.3.3 Các giao tiếp trong cụm 16

2.4 Đồng nhất và không đồng nhất trong WSN 17

2.4.1 Các loại tài nguyên không đồng nhất trong WSN 18

2.4.2 Ảnh hưởng của tính không đồng nhất trên mạng cảm biến không dây 18

2.4.3 Các cách đánh giá hiệu suất của WSN không đồng nhất 19

2.5 Một số giao thức định tuyến dựa trên kỹ thuật phân cụm 19

2.5.1 LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy) 19

2.5.2 SEP (Stable Election Protocol) 21

2.5.3 DEEC (Distributed Energy-Efficient Clustering) 23

2.5.4 DDEEC (Developed Distributed Energy-Efficient Clustering) 25

2.5.5 TDEEC (Threshold Distributed Energy-Efficient Clustering) 26

2.5.6 EDEEC (Enhanced Distributed Energy Efficient Clustering) 27

2.5.7 EDDEEC (Enhanced Developed Distributed Energy Efficient Clustering) 28

2.5.8 BEENISH (Balanced Energy Efficient Network Integrated Super Heterogeneous) 29

2.6 Nhận xét 31

2.7 Tổng kết chương 33

CHƯƠNG 3 - GIAO THỨC ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN 34

3.1 Quá trình phân cụm 34

3.2 Hoạt động của giao thức đề xuất 38

3.3 Tổng kết chương 39

CHƯƠNG 4 - MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT GIAO THỨC CẢI TIẾN 41

4.1 Mô hình và tham số mô phỏng 41

4.1.1 Mô hình năng lượng sóng vô tuyến 41

4.1.2 Mô hình mạng 42

4.1.3 Tham số của giao thức đề xuất 44

4.1.4 Tiêu chí đánh giá hiệu suất 44

4.2 Kịch bản mô phỏng 45

4.3 Kết quả mô phỏng và đánh giá 45

4.3.1 Độ ổn định và tuổi thọ mạng 45

4.3.2 Thông lượng (Số gói tin được gửi đến BS) 47

4.4 Tổng kết chương 49

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 50

DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BEENISH Balanced Energy Efficient

Network Integrated Super Heterogeneous

Mạng không đồng nhất cân bằng hiệu quả năng lượng tích hợp nút Super

EDDEEC Enhanced Developed Distributed

Energy Efficient Clustering

Phân cụm hiệu quả năng lượng phân tán tăng cường cải tiến LEACH Low-Energy Adaptive Clustering

Hierarchy

Phân cụm phân cấp thích ứng năng lượng thấp

SEP Stable Election Protocol Giao thức bầu chọn ổn định TDEEC Threshold Distributed Energy-

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Bảng so sánh một số giao thức phân cụm cho mạng cảm biến không dây

không đồng nhất 30

Bảng 4.1 Bảng các tham số mô phỏng 44

Bảng 4.2 Kịch bản mô phỏng 45

Bảng 4.3 Bảng so sánh tuổi thọ mạng của các giao thức tham gia mô phỏng 46

Bảng 4.4 Bảng so sánh thông lượng và năng lượng còn lại trung bình của các giao thức tham gia mô phỏng 48

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Một mạng cảm biến không dây 4

Hình 1.2 Ứng dụng của WSN trong theo dõi mục tiêu 5

Hình 1.3 Ứng dụng theo dõi môi trường 6

Hình 1.4 Ứng dụng trong y tế 7

Hình 1.5 Cấu tạo nút cảm biến 8

Hình 1.6 Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến 8

Hình 2.1 Một mạng cảm biến dựa trên kỹ thuật phân cụm 14

Hình 2.2 Mạng đơn bước 17

Hình 2.3 Mạng đa bước 17

Hình 2.4 Mô hình mạng không đồng nhất trong WSN 18

Hình 2.5 Mô hình phân cụm LEACH 20

Hình 3.1 Khoảng cách trung bình từ 1 nút đến BS 36

Hình 3.2 Khoảng cách những nút gần và nút xa BS 36

Hình 3.3 Sơ đồ khối cho các giao thức EDEEC, EDDEEC, BEENISH, Giao thức đề xuất trong quá trình lựa chọn CH 39

Hình 4.1 Mô hình năng lượng sóng vô tuyến 41

Hình 4.2 Mô hình mạng cảm biến không đồng nhất 4 mức độ 43

Hình 4.3 Đồ thị so sánh thời gian sống của các giao thức tham gia mô phỏng 46

Hình 4.4 Đồ thị so sánh thời gian các nút chết của các giao thức tham gia mô phỏng 47

Hình 4.5 Đồ thị so sánh thông lượng của các giao thức tham gia mô phỏng 48

Hình 4.6 Đô thị so sánh năng lượng còn lại trung bình của các giao thức tham gia mô phỏng 49

DANH MỤC CÔNG THỨC

(2.1) Công thức tính ngưỡng để lựa chọn cụm chủ 20

(2.2) Công thức tính tổng năng lượng trong mạng WSN không đồng nhất 21

(2.3) Công thức tính xác suất lựa chọn CH trong giao thứ SEP 22

(2.4) Công thức tính ngưỡng cho các nút Normal trong giao thức SEP 22

(2.5) Công thức tính ngưỡng cho các nút Advance trong giao thứ SEP 22

(2.6) Công thức tính xác suất lựa chọn CH trong giao thức DEEC 23

(2.7) Công thức tính năng lượng trung bình trong vòng hiện tại 23

(2.8) Công thức tính tổng năng lượng cho mạng WSN không đồng nhất đa mức độ 23

(2.9) Công thức tính tổng số vòng của mạng 24

(2.10) Công thức tính tổng năng lượng tiêu hao trong vòng hiện tại 24

(2.11) Công thức tính khoảng cách trung bình đến CH và BS 24

(2.13) Công thức tính ngưỡng chọn CH trong giao thức TDEEC 27

(2.14) Công thức tính ngưỡng chọn CH trong giao thức EDEEC 28

(2.15) Công thức tính xác suất chọn CH trong giao thức EDDEEC 29

(2.16) Công thức tính xác suất cải tiến trong giao thức EDDEEC 29

(2.17) Công thức tính xác suất chọn CH trong giao thức BEENISH 30

(3.1) Công thức tính ngưỡng cho lựa chọn CH của giao thức đề xuất 35

(3.2) Công thức tính khoảng cách của nút hiện tại đến BS 35

(3.3) Công thức tính khoảng cách trung bình từ 1 nút bất kỳ đến BS 36

(3.4) Công thức tính xác suất cải tiến khi dhiện tại <= dtrung bình với điều kiện Ei(r) > Tabsolute trong giao thức đề xuất 37

(3.5) Công thức tính xác suất cải tiến khi dhiện tại <= dtrung bình với điều kiện Ei(r) <= Tabsolute trong giao thức đề xuất 37

(3.6) Công thức tính xác suất khi dhiện tại > dtrung bình với điều kiện Ei(r) > Tabsolute trong giao thức đề xuất 37

(3.7) Công thức tính xác suất khi dhiện tại > dtrung bình với điều kiện Ei(r) <= Tabsolute trong giao thức đề xuất 38

(4.1) Công thức tính năng lượng tiêu hao trong quá trình tuyền 42

(4.2) Công thức tính giá trị ngưỡng khoảng cách ngưỡng 42

(4.3) Công thức tính năng lượng tiêu hao trong quá trình nhận 42

Tuy nhiên WSN cũng có nhiều mặt hạn chế, một trong những hạn chế lớn nhất

đó là nguồn năng lượng bị giới hạn (kích thước thiết bị nhỏ - nguồn pin nhỏ) và rất khó khăn để nạp lại năng lượng cho thiết bị Trong khi nguồn năng lượng là không thể thay đổi, chúng ta phải làm gì để kéo dài thời gian hoạt động của toàn mạng?

Với đặc tính bên trong của mạng cảm biến bao gồm sự ràng buộc về dải thông

và năng lượng đã tạo thêm thách thức cho các giao thức định tuyến là phải nhằm vào việc thỏa mãn yêu cầu về lưu lượng trong khi vẫn kéo dài được thời gian sống của mạng

Việc gom nhóm (Clustering) các nút cảm biến là một kỹ thuật hiệu quả để cải thiện khả năng mở rộng và thời gian sống của một mạng cảm biến không dây (WSN) Tuy nhiên, trong một cụm dựa trên WSN, các nút chủ nhóm (Cluster heads) tiêu thụ nhiều năng lượng hơn do một số phụ tải cho các hoạt động khác nhau như thu thập

dữ liệu, tổng hợp số liệu, thông tin liên lạc và các dữ liệu tổng hợp đến trạm gốc Vì vậy, vấn đề cân bằng năng lượng của các Cluster heads là một vấn đề rất quan trọng cho các hoạt động dài hạn của WSNs Cân bằng năng lượng có thể được sử dụng để kéo dài tuổi thọ của một mạng lưới cảm biến bằng cách giảm tiêu thụ năng lượng Cân bằng năng lượng dựa trên kỹ thuật phân cụm cũng có thể làm tăng khả năng mở rộng mạng lưới Mạng cảm biến không dây với các nút có mức năng lượng khác nhau

có thể kéo dài tuổi thọ mạng của mạng và củng cố độ tin cậy của nó

Vì lý do đó, luận văn này đề xuất cải tiến một giao thức định tuyến nhằm đảm bảo sự cân bằng năng lượng giữa các nút mạng trong mạng cảm biến không dây

Nội dung của luận văn gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Chương 2: Kỹ thuật phân cụm trong mạng cảm biến không dây

Chương 3: Giao thức đề xuất cải tiến

Chương 4: Mô phỏng và đánh giá giao thức cải tiến

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN

KHÔNG DÂY

1.1 Giới thiệu

Mạng cảm biến không dây Wireless Sensor Network – WSN [1] ra đời là một thành tựu to lớn của khoa học WSN là sự kết hợp giữa cảm biến, tính toán và truyền thông vào trong các thiết bị nhỏ gọn nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người, giúp cho con người không mất quá nhiều sức lực, nhân công, nâng cao được hiệu quả công việc

Trong những năm gần đây, rất nhiều mạng cảm biến không dây đã và đang được phát triển và triển khai cho nhiều các ứng dụng khác nhau như: theo dõi sự thay đổi của môi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hoá học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, theo dấu và giám sát các bác sỹ, bệnh nhân cũng như quản lý thuốc trong các bệnh viên, theo dõi và điều khiển giao thông, các phương tiện xe cộ

Hơn nữa với sự tiến bộ công nghệ gần đây và hội tụ của hệ thống các công nghệ như kỹ thuật vi điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến, xử lý và tính toán tín hiệu đã tạo ra những con cảm biến có kích thước nhỏ, đa chức năng, giá thành thấp, công suất tiêu thụ thấp, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây

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 biến, 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

Hình 1.1: Một mạng cảm biến không dây

Khi nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, một trong những đặc điểm quan trọng và then chốt đó là thời gian sống của các con cảm biến hay chính là sự giới hạn

về năng lượng của chúng Các nút cảm biến này yêu cầu tiêu thụ công suất thấp Các nút cảm biến hoạt động có giới hạn và nói chung là không thể thay thế được nguồn cung cấp Do đó, trong khi mạng truyền thông tập trung vào đạt được các dịch vụ chất lượng cao, thì các giao thức mạng cảm biến phải tập trung đầu tiên vào bảo toàn hiệu năng

Mạng cảm biến có một số đặc điểm sau:

+ Có khả năng tự tổ chức

+ Yêu cầu ít hoăc không có sự can thiệp của con người

+ Truyền thông vô tuyến và truyền đa bước

+ Triển khai số lượng lớn trên phạm vi rộng

+ Năng lượng, bộ nhớ, khả năng xử lý có hạn

+ Cấu hình thường xuyên thay đổi do môi trương hoặc nút mạng

+ Quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến đa bước (multi-hop)

Các giới hạn về mặt năng lượng, công suất phát, bộ nhớ và công suất tính toán Chính những đặc tính này đã đưa ra những chiến lược mới và những yêu cầu thay đổi trong thiết kế mạng cảm biến

Từ công thức đơn giản trên rất nhiều ứng dụng đã xuất hiện ví dụ như:

Quân sự: Dựa trên ưu điểm có thể triển khai nhanh chóng (rải từ máy bay),

với khả năng tự cấu hình lại khi có nút bị hỏng đưa mạng cảm biến không dây trở thành một ứng dụng hữu ích trên chiến trường Chủ yếu là: Theo dõi lực lượng, trang

bị, hướng di chuyển, phát hiện giám sát mục tiêu, các dấu hiệu vũ khí nguyên tử, sinh học

Hình 1.2: Ứng dụng của WSN trong theo dõi mục tiêu

Môi trường: đây là ứng dụng phổ biến nhất của mạng cảm biến không dây bao

gồm: theo dõi sự xuất hiện và di chuyển của động vật, theo dõi nhiệt độ, mức nước,

áp suất khí quyển…v.v Trong đó ứng dụng dễ nhận thấy nhất là cảnh báo cháy rừng, cảnh báo lũ

Hình 1.3: ứng dụng theo dõi môi trường

Chăm sóc sức khỏe: một vài ứng dụng về sức khỏe đối với mạng cảm biến là

giám sát bệnh nhân, các triệu chứng, quản lý thuốc trong bệnh viện, giám sát sự chuyển động và xử lý bên trong của côn trùng hoặc các động vật nhỏ khác, theo dõi

và kiểm tra bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh viện, mỗi bệnh nhân được gắn một nút cảm biến nhỏ và nhẹ, mỗi một nút cảm biến này có nhiệm vụ riêng, ví dụ có nút cảm biến xác định nhịp tim trong khi con cảm biến khác phát hiện áp suất máu, bác sĩ cũng có thể mang nút cảm biến để cho các bác sĩ khác xác định được vị trí của họ trong bệnh viện

Hình 1.4: Ứng dụng trong y tế

Mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nhưng hầu hết các lĩnh vực được ứng dụng đều thuộc ba dạng: Thu thập dữ liệu môi trường, giám sát an ninh, và theo dõi đối tượng

1.3 Kiến trúc mạng cảm biến

1.3.1 Cấu tạo của nút cảm biến

Mục này sẽ giới thiệu sơ lược về các thành phần cơ bản của nút cảm biến

 Cấu tạo của nút cảm biến như sau:

Mỗi nút cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản như ở hình (1.5): đơn vị cảm biến (a sensing unit), đơn vị xử lý (a processing unit), đơn vị truyền dẫn (a transceiver unit) và bộ nguồn (a power unit) Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ phận di động (mobilizer).[3]

Hình 1.5: Cấu tạo nút cảm biến [3]

1.3.2 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây

Trong mạng cảm biến không dây, dữ liệu sau khi được thu thập bởi các nút sẽ được định tuyến gửi đến trạm gốc Trạm gốc sẽ tiến hành xử lý dữ liệu và gửi dữ liệu đến người dùng đầu cuối thông qua internet hay vệ tinh Kiến trúc giao thức được sử dụng bởi nút gốc và các nút cảm biến được thể hiện thông qua hình 1.6

Hình 1.6: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến [3]

Mặt phẳng quản lý năng lượng: Quản lý cách các nút cảm biến sử dụng

nguồn năng lượng của nó Ví dụ: Nút cảm biến có thể tắt bộ thu tín hiệu sau khi nhận

được một bản tin Khi mức công suất của con cảm biến thấp, nó sẽ broadcast sang nút cảm biến bên cạnh thông báo rằng mức năng lượng của nó thấp và nó không thể tham gia vào quá trình định tuyến

Mặt phẳng quản lý di động: Có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự chuyển

động của các nút Các nút giữ việc theo dõi xem ai là nút lận cận của chúng

Mặt phẳng quản lý nhiệm vụ: Cân bằng và sắp xếp các nhiệm vụ cảm biến

giữa các nút trong một vùng được quan tâm Không phải tất cả các nút cảm biến đều thực hiện nhiệm vụ cảm nhận ở cùng một thời điểm

Lớp vật lý: có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang, phát hiện tín

hiệu, điều chế và mă hóa tín hiệu Băng tần ISM 915 MHZ được sử dụng rộng răi trong mạng cảm biến Vấn đề hiệu quả năng lượng cũng cần phải được xem xét ở lớp vật lý

Lớp liên kết dữ liệu: lớp này có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu, phát hiện

các khung (frame) dữ liệu, cách truy nhập đường truyền và điều khiển lỗi Vì môi trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả năng tối thiểu hoá việc va chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận

Lớp mạng: Lớp mạng của mạng cảm biến được thiết kế tuân theo nguyên tắc

sau :

 Hiệu quả năng lượng luôn luôn được coi là vấn đề quan trọng

 Mạng cảm biến chủ yếu là tập trung dữ liệu

 Tích hợp dữ liệu chỉ được sử dụng khi nó không cản trở sự cộng tác có hiệu quả của các nút cảm biến

Lớp truyền tải: Chỉ cần thiết khi hệ thống có kế hoạch được truy cập thông

qua mạng Internet hoặc các mạng bên ngoài khác

Lớp ứng dụng: Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng

khác nhau có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng

1.3.3 Mục tiêu thiết kế mạng cảm biến và tiêu chí đánh giá

1.3.3.1 Chất lượng dịch vụ

Mạng cảm biến không dây về cơ bản khác với những mạng khác về tiêu chí đánh giá chất lượng dịch vụ của mạng, thông thường với các mạng khác thì tiêu chí

đánh giá hoạt động của mạng thường là độ trễ, tỉ lệ mất gói, … Nhưng với mạng cảm biến không dây thì để đánh giá chất lượng của dịch vụ còn phải quan tâm tới đặc điểm ứng dụng mà nó được triển khai, một vài đặc điểm cần quan tâm khi đánh giá là: xác suất báo cáo theo tỉ lệ thông tin được quan tâm, phát hiện sự kiện chậm, báo cáo sai,…

1.3.3.2 Hiệu quả năng lượng

Ở những phần trên ta đã nhắc lại rất nhiều lần vấn đề năng lượng trong hoạt động của mạng cảm biến không dây, điều đó cho thấy năng lượng là vấn đề sống còn của mạng này năng lượng tiêu thụ tại mỗi nút còn ảnh hưởng tới thời gian sống, và cấu hình ổn định của mạng, bởi vậy năng lượng là mục tiêu quan trọng để thiết kế trong mạng cảm biến Trong một vài giao thức định tuyến thì năng lượng được xem như là một thông số quan trọng việc lựa chọn giao thức định tuyến phù hợp, trong một vài giao thức năng lượng còn được sử dụng như một thông số quyết định tới định tuyến Thông thường việc định nghĩa hiệu quả năng lượng trong mạng cảm biến có rất nhiều cách khác nhau: năng lượng trên từng bít nhận được, năng lượng trên mỗi báo cáo, thời gian sống của mạng hoặc số gói tin mà nút có thể gửi đi

1.3.3.3 Khả năng bảo trì và thay thế

Khả năng bảo trì và thay thế nút trong mạng cảm biến tỉ lệ nghịch với kích thước của mạng đó Thông thường thì số nút mạng có thể lên tới hàng nghìn nút, tuy nhiên do yêu cầu của ứng dụng đôi khi việc thay thế là hết sức cần thiết, lúc đó cần phải dựa vào thông tin nhận được và bảng định tuyến để xác định nút mạng bị hỏng, thường mạng loại này các nút được triển khai thủ công và địa chỉ hóa

1.3.3.4 Tiềm lực của hệ thống

Là thông số liên quan giữa chất lượng dịch vụ và khả năng tự cấu hình lại khi topo mạng thay đổi đã đề cập ở những phần trước, mạng cảm biến không dây tỏ ra khá hiệu quả, mạng vẫn hoạt động tốt nếu chỉ có vài nút mạng hết năng lượng, môi trường thay đổi, hoặc đường liên kết vô tuyến đã bị chiếm thường có thể vượt qua,

nó có thể tìm tuyến khác, việc này dựa trên giao thức định tuyến được xây dựng trong mạng

về trạm gốc Một kỹ thuật khác mà ta đã từng đề cập trong một phần trước đây là kỹ thuật tiền xử lý bằng biến đổi fourier nhanh, nhằm giảm kích thước dữ liệu trong mạng lớn

1.3.3.6 Kỹ thuật khai thác thông tin vị trí

Một kỹ thuật hữu ích khác là sử dụng thông tin vị trí trong giao thức truyền thông khi biểu diễn thông tin, khi đó vị trí của sự kiện xảy ra là thông tin quan trọng trong rất nhiều ứng dụng

1.3.3.7 Kỹ thuật lấy mẫu tích cực

Kỹ thuật lấy mẫu tích cực trong mạng cảm biến dựa trên một đặc điểm của mạng này là tốc độ dữ liệu trung bình trong một khoảng thời gian lớn là rất nhỏ do

có thể có rất ít sự kiện cần phải báo cáo, khi có một sự kiện xảy ra nó có thể được phát hiện bởi nhiều cảm biến quanh đó, gây ra tình trạng lưu lượng mạng tại đó tăng đột biến, bởi vậy nguyên lý của kỹ thuật này là điều khiển luồng lưu lượng bằng việc chuyển đổi giữa chế độ không hoạt động và chế độ tích cực

1.3.3.8 Kỹ thuật khai thác tính hỗn độn

Liên quan tới kỹ thuật lấy mẫu tích cực là kỹ thuật khai thác tính hỗn độn trong mạng cảm biến không dây, kỹ thuật này dựa trên thực tế là khi khởi đầu thì trạng thái năng lượng của các nút gần như đồng đều, tuy nhiên sẽ có những nút hoạt động nhiều hơn các nút khác ( ví dụ như các nút tổng hợp dữ liệu trước khi gửi tới trạm gốc), những nút đặc biệt này (thường có bộ nhớ dữ liệu hoặc bộ xử lý mạnh hơn các nút thông thường) có thể bổ xung năng lượng cho nó từ môi trường hoặc một giải pháp

khác là phân công nhiệm vụ lần lượt cho từng nút để cân bằng năng lượng tiêu thụ giữa các nút mạng trong WSN

1.4 Khó khăn trong việc phát triển mạng không dây

1.4.1 Giới hạn năng lượng

Thông thường, các thiết bị trong mạng cảm biến không dây thường sử dụng các nguồn năng lượng có sẵn (pin) Khi số lượng nút mạng là lớn, yêu cầu tính toán

là nhiều, khoảng cách truyền lớn thì sự tiêu thụ năng lượng là rất lớn Chính vì vậy cần tìm các giải pháp để có thể tối ưu việc xử lý & truyền dữ liệu với một năng lượng ban đầu của các nút nhằm kéo dài thời gian sống cho mạng

1.4.2 Giới hạn về giải thông

Hiện nay tốc độ truyền thông vô tuyến bị giới hạn trong tốc độ khoảng 10-100 Kbits/s Sự giới hạn về dải thông này ảnh hưởng trực tiếp đến việc truyền thông tin giữa các nút

1.4.3 Giới hạn về phần cứng

Yêu cầu của mạng cảm biến không dây là kích thước của các nút phải nhỏ vì

có một số ứng dụng đòi hỏi phải triển khai một số lượng lớn các nút trên một phạm

vi hẹp Điều này đã hạn chế về năng lực tính toán cũng như không gian lưu trữ trên mỗi nút

1.4.4 Ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài

Do trong mạng cảm biến không dây sử dụng đường truyền vô tuyến nên bị ảnh hưởng bởi những can nhiễu bên ngoài, có thể bị mất mát hoặc sai lệch thông tin khi truyền từ nút về trạm gốc

1.5 Định tuyến trong WSN

Trong một WSN, khoảng cách giữa các nút cảm biến và BS có thể khác biệt lớn Điều này ngụ ý rằng dữ liệu từ một nút cảm biến có thể cần phải đi qua nhiều bước nhảy để đạt được BS vì thế các giao thức định tuyến được đưa

ra Một giao thức định tuyến xác định các phương pháp để chuyển tiếp dữ liệu

từ các nút cảm biến đến BS dựa trên các yêu cầu khác nhau Dưới đây chúng tôi trình bày một số thách thức định tuyến:

 Tiêu hao năng lượng: Các nút có một lượng năng lượng hạn chế và

gần như không thể thay thế pin trong một thời gian ngắn, đặc biệt ở các khu vực không thể truy cập dễ dàng Do đó, hiệu quả năng lượng là rất quan trọng đối với WSNs và nghiên cứu đã được thực hiện để đạt được năng lượng hiệu quả định tuyến [1],[4]

 Khả năng mở rộng: Số lượng các nút cảm biến được sử dụng trong

mạng có thể rất lớn Kết quả là, thuật toán định tuyến sẽ có thể chứa được số lượng lớn các nút mà không làm suy giảm hiệu suất mạng [1]

 Truyền dẫn: Vì các nút được kết nối không dây, có những vấn đề liên

quan đến không dây như giảm dần và tỷ lệ lỗi cao Những vấn đề này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của mạng [1]

1.6 Tổng kết chương

Ở chương này, luận văn đưa ra các lý thuyết tổng quan về mạng cảm biến không dây (WSN) bao gồm các khái niệm, ứng dụng, mô tả kiến trúc của một WSN, qua đó chúng ta nhận thấy được là WSN đang ngày càng phát triển và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực đời sống Tuy nhiên gắn liền với nó là vẫn còn tồn tại một số hạn chế về nguồn năng lượng, khả năng mở rộng, độ tin cậy cũng như độ trễ Và để khắc phục được hạn chế về năng lượng nhằm kéo dài thời gian sống cho một WSN thì vấn đề về cân bằng năng lượng trong WSN rất được quan tâm trong những năm trở lại đây Chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về vấn đề này trong chương tiếp theo

CHƯƠNG 2 - KỸ THUẬT PHÂN CỤM TRONG WSN

2.1 Khái niệm

Để chuyển tiếp thông tin từ nhiều nút cảm biến đến một BS một cách hiệu quả, thì kỹ thuật định tuyến phân cụm thường được sử dụng Một cụm dựa trên định tuyến nhằm mục đích để tạo thành một hệ thống phân cấp mạng định tuyến dựa trên một số cụm như hình 2.1 Phân nhóm các nút cảm biến vào cụm có thể đơn giản hóa các phương pháp sử dụng trong việc xác định thông tin liên lạc của chúng, từ đó có thể

hổ trợ thích nghi với các vấn đề về khả năng mở rộng mạng lưới Mỗi cụm có một nút đặc biệt gọi là Cụm chủ (CH) và một số nút thành viên trong cụm Một CH có trách nhiệm thu thập các dữ liệu của các nút thành viên trong cluster tương ứng Điều này sẽ cho phép các dữ liệu của mỗi nút trong cụm chỉ liên lạc với các nút chủ cụm trong cụm tương ứng của nó chứ không phải thông qua toàn bộ mạng [1],[5] Mỗi CH

có kiến thức về các nút thành viên trong cluster tương ứng của nó và khoảng cách với các CH (CHS) khác mà nó có thể sử dụng để cung cấp dữ liệu đến các BS Mặt khác, mỗi nút thành viên chỉ cần biết về CH riêng của mình (nhưng không phải về các nút khác trong toàn bộ mạng) [6]

Hình 2.1: Một mạng cảm biến dựa trên kỹ thuật phân cụm

Trạm gốc Cụm chủ Thành viên cụm

2.2 Ưu điểm của kỹ thuật phân cụm

Một CH có thể thực hiện tập hợp dữ liệu để loại bỏ thông tin dư thừa bằng cách sử dụng các chức năng như tối đa, tối thiểu và trung bình Điều này cho phép phân biệt giữa dữ liệu cảm biến thô và dữ liệu hữu ích Nó góp phần làm giảm nhu cầu băng thông, kết quả là mạng sử dụng băng thông tốt hơn [1],[5] Bằng cách nhận biết rằng năng lượng tiêu thụ trong tính toán thường ít hơn so với sử dụng để liên lạc, tập hợp dữ liệu cũng có thể làm giảm tổng mức tiêu thụ năng lượng trong mạng và

mở rộng thời gian sống của mạng lưới

Vì chỉ có các CH thực hiện định tuyến, sẽ có ít trao đổi thông tin định tuyến giữa các nút trong mạng Các tính toán để xác định đường dẫn định tuyến để cung cấp dữ liệu đến BS được giảm Ngoài ra, các kích thước của bảng định tuyến cũng như các chi phí định tuyến được giảm Điều này có thể hạn chế việc tiêu thụ năng lượng của mạng và do đó kéo dài tuổi thọ mạng [1],[5],[6]

2.3 Các vấn đề được xem xét khi xây dựng thuật toán dựa trên phân cụm

Thuật toán dựa trên phân cụm có thể được thực hiện theo cách phân tán hoặc theo cách tập trung Một thuật toán phân tán không đòi hỏi một điểm trung tâm để được thực thi Nhiệm vụ của việc cấu hình mạng được chia sẻ giữa tất cả các nút trong mạng Các nút chỉ sử dụng thông tin cục bộ để đưa ra các quyết định về mạng lưới Điều này có thể là thuận lợi vì không cần phải giữ thông tin toàn mạng Tuy nhiên, các nút đòi hỏi tài nguyên tính toán để đưa ra các quyết định về cấu hình mạng Đối với một thuật toán tập trung, BS thường được sử dụng làm điểm trung tâm để xác định mạng Điều này là do BS không có vấn đề về năng lượng và khả năng tính toán hạn chế, và do đó, nó thường được sử dụng để thực hiện các hoạt động đòi hỏi một lượng lớn năng lượng Thật vậy, sử dụng một thuật toán tập trung có thể cung cấp một sự kiểm soát tốt hơn của việc định tuyến mạng Cho dù thuật toán phân cụm theo phân tán hoặc tập trung, có ba khía cạnh quan trọng cần được xem xét: lựa chọn CH, hình thành cụm và truyền thông trong cụm

2.3.1 Quá trình lựa chọn cluster head (CH)

CHS có thể là các nút được cung cấp nhiều tài nguyên hoặc các nút thay phiên thường xuyên Trong trường hợp của CHS là các nút thay phiên thường xuyên, điều quan trọng là thực hiện tái phân nhóm nơi CHS mới được lựa chọn Điều này là để tránh sự suy giảm nhanh chóng của năng lượng CHS do các chức năng khác nhau mà CHS thực hiện Việc chọn lại CHS cũng có thể là một cách thức nhằm nâng cao khả năng chịu lỗi Ví dụ, nếu một CH chết, lại chọn CHS giúp thiết lập các liên kết truyền thông mới cho các nút trong cụm đã bị mất CH của chúng [1] Có những cân nhắc khác nhau trong việc lựa chọn CHS như vị trí các nút hoặc năng lượng còn lại

Số lượng CH được lựa chọn có ảnh hưởng đến tổng số tiêu hao năng lượng trong mạng Một mạng lưới với vài CHS có thể dẫn đến một số lượng nút trong cụm được chọn rất xa so với CHS tương ứng Điều này làm tăng năng lượng tiêu thụ của các nút trong cụm để liện lạc với CHS của chúng Mặt khác, một mạng lưới với nhiều CHS có thể gây ra các xung đột và dữ liệu truyền dư thừa của chúng Điều này là do CHS có thể được đặt rất chặt chẽ với nhau, và dữ liệu được giả định là có tương quan Ngoài ra, như CHS có xu hướng tiêu thụ nhiều năng lượng hơn, có một số lượng lớn các CHS tăng tổng tiêu hao năng lượng [7]

2.3.2 Quá trình hình thành phân cụm

Trong quá trình hình thành cụm, các nút trong cụm của mỗi CHS được xác định để hình thành các cụm khác nhau Các phân cụm cần được thành lập khi đảm bảo rằng các nút trong cụm không tiêu thụ một lượng lớn năng lượng trong việc truyền

dữ liệu đến CHS của chúng

Các nút trong cụm góp phần giảm tải của CHS của chúng vì mỗi CH đã thu thập, tổng hợp và chuyển tiếp dữ liệu của các nút trong cụm của nó Để chắc chắn rằng CHS không làm cạn kiệt năng lượng của chúng quá nhanh, cụm nên được hình thành sao cho chúng có kích thước tương ứng và cân bằng tải [1]

2.3.3 Các giao tiếp trong cụm

Có hai loại thông tin liên lạc cluster, cụ thể là, thông tin liên lạc nội bộ cụm và truyền thông liên cụm thông tin liên lạc nội bộ cụm bao gồm sự tương tác giữa từng

nút trong cụm và CH tương ứng của nó Thông thường, loại truyền thông này bao gồm một kiểu truyền đơn bước giữa mỗi nút trong cụm và CH của nó, cách này đơn giản hóa giao tiếp Trong một số trường hợp đặc biệt các nút trong cụm có một phạm

vi truyền dẫn rất ngắn và họ không thể giao tiếp đến CHS của chúng, cách thức truyền

đa bước sẽ là có lợi hơn

Truyền thông liên cụm xác định con đường giữa mỗi CH và BS để cung cấp

dữ liệu truyền đơn bước có thể được sử dụng để cung cấp dữ liệu để các BS, có thể

có lợi trong các mạng nhỏ, nơi mà các BS gần các CH Khi CHS là xa BS, truyền tải

đa bước có thể thuận lợi hơn trong việc chuyển tiếp dữ liệu đến BS [1] Hình 2.2 và 2.3 đưa ra hai ví dụ về mạng đơn bước và mạng đa bước

Hình 2.2: Mạng đơn bước Hình 2.3: Mạng đa bước

2.4 Đồng nhất và không đồng nhất trong WSN

Hầu hết các nghiên cứu ở WSN cho rằng nó đồng nhất Tuy nhiên, trong thực

tế, các cảm biến có các khả năng khác nhau như các mức năng lượng ban đầu khác nhau, tỷ lệ suy hao năng lượng, vv Chỉ một vài nút thông thường các nút có lượng năng lượng tương đối nhiều hơn nhằm thực hiện lọc dữ liệu, nhiệt hạch và vận chuyển

Do đó các mạng cảm biến không đồng nhất rất hữu ích trong các triển khai thực sự

vì chúng gần với tình huống thực tế hơn [8] Do đó trong luận văn tôi sẽ tìm hiểu, đi sâu hơn về một số giao thức phân cụm dựa trên mạng WSN không đồng nhất và đưa

ra đề xuất cải tiến giao thức của mình dựa trên các giao thức đó Hình 2.4 diễn tả mô hình mạng không đồng nhất trong mạng cảm biến không dây

Hình 2.4: Mô hình mạng không đồng nhất trong WSN

2.4.1 Các loại tài nguyên không đồng nhất trong WSN

• Tính không đồng nhất trong tính toán: có nghĩa là một số nút có bộ vi xử

lý mạnh hơn và bộ nhớ hơn để cung cấp việc xử lý dữ liệu phức tạp và lưu trữ lâu dài

• Liên kết không đồng nhất: có nghĩa là nút không đồng nhất có bộ thu tín

hiệu mạng băng thông rộng và đường dài lớn hơn nút bình thường Liên kết không đồng nhất có thể cung cấp truyền dữ liệu đáng tin cậy hơn [9]

• Không đồng nhất về năng lượng: có nghĩa là một số nút được cấp nguồn

hoặc có pin thay thế Tính không đồng nhất của năng lượng là một điều kiện tiên quyết cho tính không đồng nhất tính toán và sự không đồng nhất liên kết Giao thức của tôi sẽ đề xuất dựa trên tính không đồng nhất về năng lượng của các nút trong WSN

2.4.2 Ảnh hưởng của tính không đồng nhất trên mạng cảm biến không dây

Việc đặt vài nút không đồng nhất trong mạng cảm biến có thể mang lại những lợi ích sau: [9]

• Giảm độ trễ của truyền dữ liệu: Tính không đồng nhất tính toán và liên kết

dẫn đến ít bước nhảy giữa các nút cảm biến và trạm gốc Điều này cho thấy độ trễ chuyển tiếp ít hơn Tầm quan trọng: Thời gian phản hồi giảm

• Kéo dài thời gian sống cho mạng: Mức tiêu thụ năng lượng trung bình để

chuyển tiếp gói bị giảm làm cho nó bền hơn

• Cải thiện độ tin cậy của truyền dữ liệu: Do các liên kết không dây vốn có

sai sót nên mỗi bước nhảy giảm đáng kể tỷ lệ phân phối end to end Với các nút không đồng nhất, sẽ có ít bước nhảy từ nút nguồn đến trạm gốc Tầm quan trọng: Tỷ lệ phân phối cuối cùng cao hơn dự kiến

2.4.3 Các cách đánh giá hiệu suất của WSN không đồng nhất

Một số cách đo lường được sử dụng để đánh giá hiệu suất của các giao thức phân cụm được liệt kê dưới đây

 Thời gian sống: Đây là khoảng thời gian từ khi bắt đầu hoạt động (của mạng

cảm biến) cho đến khi nút đầu tiên chết đi

 Số lượng các CH trên mỗi vòng: Cách thức này phản ánh số nút sẽ gửi trực

tiếp tới trạm gốc, thông tin được tổng hợp từ các thành viên trong cụm của chúng

 Tuổi thọ mạng: Phương pháp tức thời này phản ánh số vòng mà tất cả các nút

chết hoặc số vòng từ khởi tạo mạng cho đến khi tất cả các nút bị chết

 Thông lượng: Bao gồm tổng tỉ lệ dữ liệu được gửi qua mạng, tốc độ dữ liệu

được gửi từ các CH đến trạm gốc cũng như tốc độ dữ liệu được gửi từ các nút tới các

CH của chúng

2.5 Một số giao thức định tuyến dựa trên kỹ thuật phân cụm

2.5.1 LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)

Low-Energy Adapter Clustering Hierarchy (Leach) [7],[10] là một trong những thuật toán phân cụm đầu tiên và phổ biến nhất

LEACH là giao thức phân cấp theo cụm thích ứng năng lượng thấp Mục tiêu chính của LEACH là:

 Mở rộng thời gian sống của mạng

 Giảm sự tiêu thụ năng lượng bởi mỗi nút mạng

 Sử dụng tập trung dữ liệu để giảm bản tin truyền dẫn trong mạng

Để đạt được những mục tiêu này LEACH đã thông qua mô hình phân cấp để

tổ chức mạng thành các cụm, mỗi cụm được quản lý bởi nút chủ

(2.1) Công thức tính ngưỡng để lựa chọn cụm chủ

Các giá trị ngưỡng trong phương trình (2.1) đã được phát triển để sử dụng trong việc lựa chọn CH

Trong đó p là tỷ lệ mong muốn của các CHS, r là vòng hiện tại, và G là tập hợp các nút mà không phải là một CH trong 1 / p vòng Nếu một nút đã được một CH trong 1 vòng, ngưỡng được đặt thành 0 và nút không thể là một CH trong vòng hiện hành Nếu không, các ngưỡng được tính theo biểu thức 𝑃

1−𝑃 × [𝑟 𝑚𝑜𝑑𝑃1]

Điều này đảm bảo rằng một nút là một CH chỉ một lần trong 1 vòng Sử dụng các giá trị ngưỡng tính toán, một nút quyết định cho dù đó là một CH hay không bằng cách tạo ra một số ngẫu nhiên phân bố đều giữa 0 và 1 Nếu con số này thấp hơn giá trị ngưỡng, nút này quyết định để có một CH; nếu không, nó không phải là một CH

Hình 2.5: Mô hình phân cụm LEACH

𝑇(𝑛) = {

𝑃 1−𝑃 × [𝑟 𝑚𝑜𝑑𝑃1] , 𝑖𝑓 𝑛 ∈ 𝐺

0 , 𝑜𝑡ℎ𝑒𝑟𝑤𝑖𝑠𝑒

(2.1)

Tuy nhiên LEACH cũng có một số khuyết điểm sau:

Việc giả sử rằng tất cả các nút chủ trong mạng đều truyền đến trạm gốc (BS) thông qua một bước nhảy là không thực tế, và vì dự trữ năng lượng và khả năng của các nút thay đổi theo thời gian từ nút này đến nút khác Hơn nữa khoảng chu kỳ ổn định trạng thái là vấn đề then chốt để giảm năng lượng cần thiết bù đắp lượng mào đầu gây ra trong việc lựa chọn cụm Chu kỳ ngắn sẽ làm tăng lượng mào đầu, chu kỳ

dài sẽ nhanh chóng làm tiêu hao năng lượng của nút chủ

2.5.2 SEP (Stable Election Protocol)

Nhiều giao thức đã được đưa ra để cải tiến LEACH Trong đó có SEP của nhóm tác giả [11] xem xét đến mức năng lượng trong quá trình lựa chọn CH SEP cải thiện vùng ổn định của tiến trình phân nhóm theo hình thức phân cấp sử dụng các thông số đặc trưng của tính không đồng nhất, bổ sung năng lượng giữa nút advance

và nút normal Để kéo dài thời gian ổn định, SEP cố gắng duy trì hạn chế tiêu thụ năng lượng Các nút advance sẽ trở thành CH nhiều hơn các nút normal Các nút advance sẽ được cấp năng lượng nhiều hơn so với các nút normal Tổng năng lượng của hệ thống thay đổi Giả sử Eo là năng lượng ban đầu của nút normal thì năng lượng của nút advance sẽ được cài đặt bằng Eo*(1+ α) Tổng năng lượng cần thiết lập (không đồng nhất) được trình bày theo công thức (2.2):

(2.2) Công thức tính tổng năng lượng trong mạng WSN không đồng nhất

Vì vậy tổng số năng lượng của hệ thống được tăng lên 1+αm lần Chúng ta có thể tăng vùng ổn định của mạng cảm biến 1+αm lần

Xác suất để những nút normal trở thành CH là 1 và nút advance trở thành CH

là 1+ α Nếu ngưỡng T(n) cùng được thiết lập cho nút normal và nút advance khác biệt ở chỗ nút normal thuộc G trở thành CH một lần và nút advance thuộc G trở thành

CH 1+ α lần Vậy xác suất trọng lượng cho nút normal và advance lần lượt theo công thức (2.3):