Cải tiến thời gian sống của mạng cảm biến không dây dùng phân cụm mờ kết hợp trạm thu phát di động (tt)

Cải tiến thời gian sống của mạng cảm biến không dây dùng phân cụm mờ kết hợp trạm thu phát di động (Luận văn thạc sĩ)Cải tiến thời gian sống của mạng cảm biến không dây dùng phân cụm mờ kết hợp trạm thu phát di động (Luận văn thạc sĩ)Cải tiến thời gian sống của mạng cảm biến không dây dùng phân cụm mờ kết hợp trạm thu phát di động (Luận văn thạc sĩ)Cải tiến thời gian sống của mạng cảm biến không dây dùng phân cụm mờ kết hợp trạm thu phát di động (Luận văn thạc sĩ)Cải tiến thời gian sống của mạng cảm biến không dây dùng phân cụm mờ kết hợp trạm thu phát di động (Luận văn thạc sĩ)Cải tiến thời gian sống của mạng cảm biến không dây dùng phân cụm mờ kết hợp trạm thu phát di động (Luận văn thạc sĩ)Cải tiến thời gian sống của mạng cảm biến không dây dùng phân cụm mờ kết hợp trạm thu phát di động (Luận văn thạc sĩ)Cải tiến thời gian sống của mạng cảm biến không dây dùng phân cụm mờ kết hợp trạm thu phát di động (Luận văn thạc sĩ)Cải tiến thời gian sống của mạng cảm biến không dây dùng phân cụm mờ kết hợp trạm thu phát di động (Luận văn thạc sĩ)

-

V NHƢ NH

C I TI N TH I GI N NG C NG C BI N HÔNG D Y D NG H N C T H

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học:………

(Ghi rõ học hàm, học vị)

Phản biện 1: ……… Phảnbiện 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

U

Trong nh ng năm g n đ y ireless ensor Networks N thu h t ngày càng nhi u c c nhà nghi n c u ch vì nh ng ti m năng lợi ích to lớn mà ch ng có thể cung cấp cho c c lĩnh v c công nghiệp và kinh tế-xã hội Ngày càng có nhi u ng dụng N được

ph t triển cho nhi u lĩnh v c mục ti u chiến lược quan trọng và tiện dụng Mạng cảm biến không d y N đã và đang là lĩnh v c nghi n c u thu h t được nhi u s quan t m N với nh ng ti m năng n i trội đã mang lại nh ng ng dụng thiết th c trong cuộc s ng con người n i l n của c c mạng cảm biến không d y là kết quả của s tiến hóa mới gi a s ph t triển của điện tử s vi điện tử hệ

th ng cơ học vi mô và tiến bộ trong công nghệ truy n thông không

d y đã cho phép triển khai nhi u ng dụng N trong lĩnh v c

qu n s giao thông y tế môi trường s c khỏe công nông nghiệp

và trong hệ sinh th i thì cảm biến không d y là thành ph n thiết yếu

N là một tập hợp bao gồm c c thiết bị cảm biến sử dụng c c li n kết không d y để ph i hợp th c hiện nhiệm vụ nh m thu thập thông tin d liệu ph n t n với quy mô lớn trong bất k đi u kiện c ng như bất k địa hình nào Tất cả c c n t được theo d i và kiểm so t b i một trạm g c B Hiệu suất sử dụng năng lượng là th ch th c chính mà c c nhà thiết kế phải đ i m t trong N Nói chung nguồn năng lượng trong một n t cảm biến v cơ bản được cung cấp

t một pin có nguồn năng lượng hạn chế Nguồn năng lượng này không dễ dàng để thay thế ho c nạp lại khi c c n t cảm biến triển khai trong một v ng rộng lớn các nút cảm biến bị giới hạn b i s c

mạnh tính toán và khả năng truy n thông mà chúng có thể cung cấp Nếu các cảm biến được n i mạng và lập trình chính xác, tất cả các tác vụ xử lý tín hiệu có thể được th c hiện hợp l để thu thập thông tin t c c v ng xa c ng như c c khu v c nguy hiểm T i ưu hóa thời gian s ng của mạng là một bài to n ph c tạp

Truy n tải d liệu là công việc ti u hao năng lượng chủ yếu trong Ns Đi u c n thiết là làm sao để kiểm soát m c tiêu thụ năng lượng trong giai đoạn thu thập d liệu Đi u này được th c hiện

b ng cách cho phép s lượng nút t i thiểu liên lạc tr c tiếp với trạm

g c hay trạm thu ph t sink nơi tập hợp d liệu ng dụng trong

N Có nhi u thuật to n đã ph t triển cho việc phân cụm trong

N nh m giảm thiểu s n t giao tiếp với trạm g c Đi u này được

th c hiện b ng c ch nhóm c c n t được triển khai thành các cụm

ho c c c khu v c Mỗi cụm được đi u khiển b i một n t Trư ng Cụm gọi là cluster-head CH c c n t kh c trong cụm tr thành n t thành viên của cụm đó C c n t thành vi n chỉ liên lạc với n t Trư ng Cụm trong một phạm vi hạn chế và do đó giảm tiêu thụ năng lượng N t Trư ng Cụm sẽ t ng hợp d liệu thu thập được t c c n t thành viên thành một gói và chuyển tiếp tới Trạm g c C n lưu

r ng chỉ có c c n t Trư ng Cụm có tr ch nhiệm gửi d liệu trong cụm đã thu thập đến trạm thu ph t nơi xử lý và ra quyết định Việc triển khai trạm thu ph t trong một WSN là một m i quan tâm lớn Do

đó c c vấn đ li n quan đến năng lượng ti u thụ thời gian s ng của

N đang được nghi n c u Nói chung giả sử các trạm thu ph t là tĩnh c định trong t nhi n tuy nhi n ch ng có khả năng di động

trong một s tình hu ng để thu thập d liệu t các nút cảm biến [1]

Để đạt được kết quả tiết kiệm năng lượng cao hơn tính di động của trạm thu ph t nh m tăng thời gian s ng của N được xem xét trong luận văn này

Mục tiêu của luận văn:

Mục ti u của luận văn là cải tiến thời gian s ng của mạng N Do

đó sẽ tìm hiểu v giao th c ph n cụm LE CH và giải thuật ph n cụm d a tr n logic mờ CHEF với hướng tiếp cận mới là trạm thu

ph t di động mobile sink ua đó sẽ sử dụng thuật toán phân cụm

mờ kết hợp với trạm thu ph t di động mobile sink để cải tiến thời gian s ng của mạng cảm biến không d y

Vấn đề cần giải quyết của luận văn

Hãy xem xét một mạng lưới cảm biến triển khai một cách ngẫu nhiên Một nút cảm biến có giao diện truy n thông không dây có thể giao tiếp với c c n t kh c trong v ng l n cận của nó B i vì hạn chế của các nguồn năng lượng và do th c tế r ng giao tiếp làm tiêu hao điện năng đ ng kể trong một nút cảm biến, phạm vi truy n dẫn của

c c n t này được giới hạn cho mục đích năng lượng hiệu quả, các nút cảm biến xa sink sẽ sử dụng chuyển tiếp đa ch ng multi hop để truy n d liệu đến sink ết quả truy n thông đa ch ng cho thấy ti u hao năng lượng không cân b ng trong c c ph n kh c nhau trong mạng c c n t xung quanh sink thì cạn kiệt năng lượng nhanh hơn nhi u so với c c n t xa Đi u này không chỉ gây ra nh ng cảm biến

g n sink ngưng hoạt động mà c n làm cho sink không thể truy cập

b i c c n t cảm biến kh c Trong trường hợp này, các d liệu cảm

biến không thể gửi thành công đến sink d liệu chuyển tiếp đến c c

bộ cảm biến g n sink bị t c nghẽn theo dạng th t n t c chai có thể làm cho mạng ngưng hoạt động đ y là một kết quả tr c tiếp của việc

có một sink tĩnh c định Do đó để đạt được kết quả tiết kiệm năng lượng cao hơn tính di động của trạm thu ph t nh m tăng tu i thọ

N được xem xét trong luận văn này

ối tượng nghiên cứu

Tìm hiểu c c ưu và nhược điểm của mạng cảm biến không dây, thuật toán phân cụm LE CH thuật to n ph n cụm d a tr n logic mờ CHEF mô hình trạm thu ph t di động mobile sink

Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên c u các kiến trúc mạng WSN

- Tìm hiểu v giao th c ph n cụm LE CH thuật to n ph n cụm d a

tr n logic mờ CHEF mô hình trạm thu ph t di động

- Tập trung nghi n c u kết hợp thuật to n ph n cụm mờ với trạm thu

ph t di động để cải tiến thời gian s ng của N

hương pháp nghiên cứu

- Tài liệu: tìm hiểu c c đ i tượng c n nghiên c u t các bài báo khoa học đã được xuất bản và đăng tr n c c tạp chí uy tín trên thế giới

- Tiến hành thiết kế đ xuất thuật toán, kiểm ch ng b ng mô phỏng

Các đóng góp của luận văn

- Đ xuất 1 cải tiến thời gian s ng của N b ng phương ph p tiếp cận giao th c định tuyến ph n cụm LE CH kết hợp sink di động theo đường dẫn c định

- Đ xuất 2 cải tiến thời gian s ng của N b ng phương ph p tiếp cận thuật to n ph n cụm mờ CHEF kết hợp sink di động theo đường dẫn c định

Để cải tiến thời gian s ng của mạng N c c phương ph p tiếp cận thiết kế d a tr n sink di động là một giải ph p triển vọng

Cấu trúc luận văn

Nội dung của luận văn gồm 4 chương:

Chương 1: Trình bày t ng quan v mạng cảm biến không dây

Trong chương này mô tả v cấu trúc mạng cảm biến không d y đ c điểm và cấu trúc của nút cảm biến Nh ng vấn đ g p phải của mạng cảm biến không d y như năng lượng đi u khiển truy nhập đường truy n Đồng thời chương này c ng chỉ ra các ng dụng phong phú trong đời s ng của mạng cảm biến như c c ng dụng trong y tế, ng dụng trong qu n đội, ng dụng trong gia đình và trong môi trường

Chương 2: C c công trình li n quan Trong chương này giới thiệu v

định tuyến c c loại chính của các giao th c định tuyến, giao th c định tuyến kinh điển LE CH Tiếp theo là giới thiệu logic mờ thuật

to n ph n cụm d a tr n logic mờ CHEF Cu i c ng tìm hiểu c c mô hình sink di động thuật to n d a tr n sink di động MEC M

Chương 3: Chương này em trình bày giải ph p đ xuất kết hợp ph n

cụm mờ với sink di động để cải tiến thời gian s ng của mạng cảm biến không d y

Chương 4: Mô phỏng và đ nh gi hiệu suất của giải ph p đ xuất

ết uận và hư ng phát t iển

CHƯƠNG 1

T NG U N V NG C BI N HÔNG D Y

1.1 Gi i thiệu

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network, viết

t t là WSN) là tập nhi u nút cảm biến có khả năng cảm biến môi trường như cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, cảm biến cường độ

nh s ng m thanh có khả năng xử lý d liệu, truy n thông không dây với nhau, phủ sóng trên một vùng vật l nào đó nh m giám sát

và quản lý vùng vật l đó Mạng cảm biến (WSN) là hệ th ng ít t n chi phí không đ i hỏi năng lượng cao đa ch c năng và c c node cảm biến kích thước nhỏ có thể kết hợp với nhau để cảm biến môi trường, xử lý d liệu và giao tiếp không dây qua một khoảng cách

ng n Các cảm biến thường được sử dụng để giám sát vật lý ho c các yếu t môi trường như nhiệt độ m thanh rung động, áp l c, s chuyển động ho c ô nhiễm tại các khu v c khảo sát Một trạm thu

ph t ho c trạm cơ s hoạt động như một giao diện gi a người sử dụng và mạng Người ta có thể lấy thông tin t mạng b ng cách chèn các truy vấn và thu thập các kết quả t trạm thu ph t Thông thường một mạng cảm biến không dây có ch a hàng trăm nghìn nút cảm biến Các nút cảm biến có thể giao tiếp với nhau b ng cách sử dụng các tín hiệu radio Một nút cảm biến không d y được trang bị các thiết bị cảm biến và tính toán, các máy thu phát vô tuyến và các bộ phận nguồn Một s c c n t cảm biến có thể di chuyển, b ng cách

g n các cảm biến này vào các thiết bị di động như đã đạt được trong

d án Robomote Ngày nay với s phát triển nhanh chóng của khoa học kĩ thuật nói chung và s phát triển của mạch kĩ thuật s , hệ th ng

vi cơ điện tử MEMS, truy n thông không dây nói riêng thì việc thiết

kế và phát triển các nút cảm biến (sensor node) với kích thước nhỏ,

th c hiện được nhi u ch c năng gi thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng,

có thể truy n thông không dây, các nút cảm biến rất nhỏ có thể th c hiện nhi u ch c năng bao gồm cảm nhận xử lý d liệu, có thể phân tích tính toán trên các d liệu thu thập được sau đó truy n tr c tiếp

ho c đa ch ng (multihop) v trạm đi u khiển để tiếp tục phân tích và đưa ra c c quyết định toàn cục v môi trường xung quanh Tuy nhiên, các nút cảm biến này có nguồn l c hạn chế v : năng lượng giới hạn khả năng xử l dung lượng lưu tr và băng thông truy n thông thấp Mỗi n t cảm biến được phát tán trong mạng có khả năng thu thập thông tin định tuyến thông tin v trạm thu ph t ink để chuyển tới người d ng thông qua mạng internet và định tuyến c c bản tin mang theo y u c u t ink đến c c n t cảm biến Thông tin được định tuyến v phía sink sau đó sink có thể liên lạc tr c tiếp

ho c gián tiếp với người dùng thông qua mạng Internet hay vệ tinh Trạm thu ph t ink ho c trạm g c (BS hay Base Station) với bộ xử

l năng lượng và khả năng lưu tr lớn đảm nhận ch c năng như nhận d liệu t các nút cảm biến và xử lí

H nh 1 1: t ạng cả iến hông y điển h nh

Mạng cảm biến không d y Ns cho phép nhi u ng dụng mới

và do y u c u v độ ph c tạp của thiết bị thấp cùng với tiêu thụ năng lượng thấp kéo dài thời gian s ng của mạng, c n phải có s cân

b ng gi a khả năng truy n thông và khả năng xử lý tín hiệu, d liệu Đi u này th c đẩy một nỗ l c rất lớn trong các hoạt động nghiên c u, quá trình chuẩn hóa và đ u tư công nghiệp trong nhi u năm g n đ y Mạng cảm biến không d y thông thường có một s đ c điểm sau:

của con người

dụng định tuyến đơn ch ng ho c đa ch ng

- Triển khai dày đ c và có khả năng kết hợp gi a các nút cảm biến

- Cấu hình mạng thường xuy n thay đ i phụ thuộc vào s di chuyển hao m n và hư hỏng các nút cảm biến

tính toán

Chính nh ng đ c điểm này đã đưa ra nh ng yêu c u đ c biệt trong thiết kế mạng cảm biến không dây Một trong nh ng hạn chế chính của Ns có li n quan tr c tiếp đến hiệu suất ph n c ng ch ng hạn như khả năng xử l và pin mà kết quả là lượng năng lượng ti u thụ cao hơn và giảm thời gian s ng của mạng Tuy nhi n có rất nhi u

ng dụng sử dụng N như c c hoạt động c u hộ thảm họa ph ng

ch ng ch y r ng c c khu v c chiến tranh k thuật y tế và nông nghiệp nơi mà s can thiệp tr c tiếp của con người là tương đ i

có nguy hiểm cao ho c đôi khi không thể th c hiện được Trong nhi u trường hợp thay thế pin c ng không khả thi vì s lượng lớn n t cảm biến của N c ng như c c hạn chế của khu v c triển khai Nếu một n t t t nguồn và mất kết n i có thể bị ảnh hư ng làm cho mục ti u của mạng tr n n vô ích Do tính chất hạn chế nguồn l c khả năng sao lưu năng lượng rất hạn chế và c ch duy nhất để duy trì kết n i mạng là sử dụng năng lượng có hiệu quả để kéo dài tu i thọ của toàn bộ mạng C c ng dụng sử dụng mạng cảm biến không d y

sẽ phải có kết n i li n tục với khu v c mà ch ng được triển khai mà không có bất k s c nào nếu không s tham gia của việc triển khai cảm biến sẽ không có hiệu quả Để duy trì tu i thọ của mạng l a chọn duy nhất là sử dụng hiệu quả năng lượng có sẵn m c t i đa

Là một ph n quan trọng của WSN, quản lý cấu trúc liên kết luôn được sử dụng để tiết kiệm năng lượng trong khi vẫn duy trì kết

n i mạng Việc phát triển và triển khai c c N đã p dụng các cấu

trúc mạng truy n th ng theo c c hướng mới Các cấu trúc mạng cảm biến không dây khác nhau là Bus, Tree, Star, Ring, Mesh, Circular

CHƯƠNG 2

C C CÔNG T NH LI N U N 2.1 nh tuyến t ng W N

D liệu thu thập được b i các nút cảm biến trong một WSN thường được truy n cho một trạm cơ s base station hay sink như

là li n kết N với các mạng kh c nơi d liệu có thể được xử l

ph n tích và ra quyết định Trong c c mạng cảm biến nhỏ nơi các nút cảm biến và một sink n m g n nhau, truy n thông tr c tiếp (single-hop) gi a tất cả các nút cảm biến và sink có thể là khả thi Tuy nhiên, h u hết các ng dụng N đ i hỏi một s lượng lớn các nút cảm biến bao phủ các khu v c rộng lớn đ i hỏi cách tiếp cận truy n thông gián tiếp đa ch ng multi-hop) T c là, các nút cảm biến không chỉ phải tạo ra và ph biến thông tin của riêng mình mà còn phục vụ như c c rơle ho c các nút chuyển tiếp cho các nút cảm biến khác Quá trình thiết lập c c đường dẫn t nguồn đến một sink thông qua một ho c nhi u rơle được gọi là định tuyến Khi các nút của

N được triển khai theo c ch x c định nghĩa là ch ng được đ t các vị trí được x c định trước), s giao tiếp gi a n t và sink có thể

th c hiện b ng các tuyến đường được thiết lập trước Tuy nhi n khi

c c n t được triển khai theo cách ngẫu nhi n nghĩa là ch ng được

ph n t n vào môi trường ngẫu nhiên), kết quả là cấu hình mạng không thể đo n trước Trong trường hợp này, các nút này c n phải t

t ch c, nghĩa là ch ng phải hợp t c để x c định vị trí của chúng, xác định nh ng n t l n cận và kh m ph c c đường dẫn đến sink

Chương này giới thiệu các loại chính của các giao th c định tuyến, chiến lược truy n d liệu và trình bày các công trình có liên quan

c u th c hiện có thể dễ dàng hỗ trợ b i các nút cảm biến, trong khi

nó có thể cải thiện hiệu suất mạng t ng thể Ti m năng của logic mờ vượt xa các hệ th ng truy n th ng và có thể được sử dụng trong nhi u lĩnh v c nghiên c u (th ng kê, kiểm soát chất lượng, k thuật

t i ưu ho cho phép tiếp cận đa ngành và cải tiến hiệu năng Trong WSNs, logic mờ đã được sử dụng để cải thiện việc đưa ra quyết định, giảm tiêu thụ tài nguy n và nói chung tăng hiệu suất thông qua việc triển khai hiệu quả s định vị ph n cụm và l a chọn trư ng cụm định tuyến, tập hợp d liệu, bảo mật, v.v

Lý thuyết logic mờ được Gi o sư Lotfi Zadeh n u ra l n đ u tiên vào năm 1965 [21] L thuyết này giải quyết các bài toán rất g n với cách

tư duy của con người Tới nay, lý thuyết logic mờ đã ph t triển rất mạnh mẽ và được ng dụng trong nhi u lĩnh v c của cuộc s ng

Theo logic truy n th ng (traditional logic), một biểu th c logic chỉ nhận một trong hai giá trị: True ho c False Khác với lý thuyết logic truy n th ng, một biểu th c logic mờ có thể nhận một trong vô s giá trị n m trong khoảng s th c t 0 đến 1 Nói cách khác, trong logic truy n th ng, một s kiện chỉ có thể ho c là đ ng tương đương với True - 1) ho c là sai tương đương với False - 0) còn trong logic mờ,

m c độ đ ng của một s kiện được đ nh gi b ng một s th c có giá trị n m gi a 0 và 1, tu theo m c độ đ ng “nhi u” hay “ít” của nó Logic mờ được ph t triển t l thuyết tập mờ nh m th c hiện một lập luận xấp xỉ cho phép s không chính x c tính bất định g n đ ng

nh m tìm lời giải hiệu quả đơn giản dễ hiểu và dễ th c hiện với chi phí thấp

bộ mà sink không c n phải thu thập thông tin t tất cả các nút B ng cách sử dụng logic mờ chi phí tính to n được giảm và tu i thọ mạng được m rộng Ngoài ra, hoạt động của cơ chế này được cục bộ hóa

sink không chọn các CH, các nút cảm biến chỉ b u chọn c c trư ng cụm b ng cách sử dụng logic mờ

v c cảm biến sink đi theo một con đường c định và có thể d đo n được Mạng được chia thành nhi u cụm kh c nhau CH được chọn

d a tr n năng lượng dư mỗi CH thu thập d liệu và gửi nó đến sink

di động Thuật to n định tuyến chuỗi nội bộ c ng được đ xuất sử dụng lược đồ đa ch ng multihop Do đó nó không chỉ tiết kiệm năng lượng thông qua việc phân cụm mà c n đảm bảo r ng kh i lượng công việc được ph n t n để giảm bớt vấn đ tiêu thụ năng lượng không cân b ng xung quanh một sink c định