Nghiên cứu giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng cho mạng sensor

Trong luận án này, các vấn đề sauđây thuộc bài toán nêu trên được quan tâm giải quyết:Định tuyến phân cụm cho hiệu quả năng lượng: Đề xuất cải tiến một thuật toán định tuyến phân cụm để

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN DUY TÂN

NGHIÊN CỨU GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN

TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG SENSOR

Chuyên ngành: Truyền Dữ liệu và Mạng Máy tính

Mã số: 62.48.15.01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Hà Nội – 2017

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Công nghệ,

Đại học Quốc gia Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Đình Việt

Phản biện:

Phản biện:

Phản biện:

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia chấm luận án tiến sĩ họp tại vào hồi giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

- Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội

Chương 1: MỞ ĐẦU

1.1 Mạng cảm biến không dây

Các nút cảm biến không dây có kích thước nhỏ, giá thành thấp,

có khả năng cảm biến, thu thập, xử lý và truyền tải thông tin quaInternet đến người dùng Mạng cảm biến không dây WSN baogồm nhiều nút cảm biến được triển khai dày đặc, ngẫu nhiêntrên một vùng rộng lớn tạo thành mạng tự tổ chức

1.2 Các ứng dụng điển hình của mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây có thể được ứng dụng trong nhiềulĩnh vực khác nhau như: Môi trường, nông nghiệp, y tế, giaothông, quốc phòng, v.v

1.3 Các phương pháp định tuyến trong mạng cảm

biến không dây

Do kiến trúc vật lý, các nút cảm biến bị hạn chế về tài nguyêncho nên chúng ta không thể áp dụng các thuật toán định tuyếndựa trên tô-pô vào mạng cảm biến không dây Những năm gầnđây, một hướng tiếp cận hoàn toàn khác cho vấn đề định tuyếntiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến không dây là tổ chứcmạng thành các cụm, mỗi cụm bầu ra một nút cụm trưởng (CH).Nút CH chịu trách nhiệm điều khiển, duy trì các hoạt động cụm

và mạng Phương pháp này đóng một vai trò quan trọng trongviệc đạt được các mục tiêu thiết kế sau khi đưa mạng cảm biếnkhông dây vào hoạt động

1.4 Vấn đề được giải quyết và mục tiêu của luận án

Phân cụm và định tuyến phân cụm cho hiệu quả về năng lượng

đã và đang được nghiên cứu, triển khai và ứng dụng mạng cảm

biến không dây vào thực tế Trong luận án này, các vấn đề sauđây thuộc bài toán nêu trên được quan tâm giải quyết:

Định tuyến phân cụm cho hiệu quả năng lượng: Đề xuất

cải tiến một thuật toán định tuyến phân cụm để nâng cao hiệu

quả sử dụng năng lượng

Định tuyến phân cụm dựa trên chuỗi: Đề xuất cải tiến

thuật toán định tuyến phân cụm dựa trên chuỗi, kết hợp với việc

tổng hợp dữ liệu ở các nút dọc theo chuỗi cho hiệu quả sử dụngnăng lượng và đề xuất cải tiến một lược đồ xây dựng cụm (cung)chuỗi cho hiệu quả năng lượng trong mạng hỗn hợp

Định tuyến phân cụm dựa trên cây tối thiểu: Đề xuất cải

tiến thuật toán định tuyến phân cụm dựa trên cây tối thiểu kết

hợp với tổng hợp dữ liệu hoặc lập lịch ngủ cho hiệu quả sử dụngnăng lượng cao

1.5 Nội dung luận án

Luận án được trình bày trong năm chương:

− Chương 1 đặt vấn đề; phát biểu bài toán và mục tiêu của

luận án, tóm tắt nội dung và những đóng góp chính củaluận án

− Chương 2 trình bày kết quả nghiên cứu tổng quan về định

tuyến có thứ bậc (phân bậc), các công trình liên quan đếnbài toán định tuyến tiết kiệm năng lượng một cách tóm tắt

− Chương 3 trình bày đề xuất thuật toán cải tiến giao thức

định tuyến phân cụm phân tán dựa trên việc xem xét đếnnăng lượng còn lại trung bình và khoảng cách từ nút ứngviên đến BS trước khi chọn làm CH

− Chương 4 trình bày hai đề xuất cải tiến thuật toán định

tuyến phân cụm dựa trên xây dựng chuỗi dài kết hợp với

tổng hợp, nén dữ liệu và xây dựng cụm (cung) chuỗi nhằmnâng cao hiệu quả tiêu thụ năng lượng trong mạng cảmbiến không dây.

− Chương 5 trình bày hai thuật toán định tuyến dựa trên xây

dựng cây tối thiểu được chúng tôi đề xuất cải tiến nhằmnâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, kết hợp với tổnghợp dữ liệu hay lập lịch ngủ cho các nút có hiệu quả rõ rệtthông qua các kết quả mô phỏng

− Phần kết luận tổng kết các kết quả đạt được của luận án và giới thiệu một số hướng nghiên cứu mở rộng tiếp theo

1.6 Đóng góp của luận án

Những đóng góp chính của luận án bao gồm:

- Đề xuất cải tiến giao thức định tuyến phân cụm phân tán dựatrên tiêu chuẩn bầu chọn nút cụm trưởng có xem xét đến nănglượng còn lại trung bình và khoảng cách từ nút ứng viên đến BS,thuật toán có thể làm việc tốt trên các mạng cảm biến đồng nhất

- Đề xuất cải tiến một lược đồ xây dựng cung (cụm) chuỗi chohiệu quả năng lượng có tên SCBC, ứng dụng cho mạng cảmbiến không dây không đồng nhất

- Đề xuất cải tiến thuật toán định tuyến dựa trên chuỗi dài, kếthợp với việc tổng hợp, nén dữ liệu ở các nút dọc theo chuỗi chohiệu quả sử dụng năng lượng

- Đề xuất cải tiến thuật toán định tuyến cho hiệu quả năng lượngdựa trên xây dựng cây khung nhỏ nhất kết hợp với tổng hợp, nén

dữ liệu theo mô hình cây phân cấp có tên (DFTBC)

- Đề xuất cải tiến thuật toán định tuyến cho hiệu quả năng lượngdựa trên xây dựng cây khung nhỏ nhất kết hợp với lập lịch ngủ

có tên (SSTBC)

Hình 1.2 minh họa trực quan về các bài toán được luận án quantâm cùng với các đề xuất cải tiến đã được đưa ra nhằm giảiquyết bài toán định tuyến tiết kiệm năng lượng cho mạng cảmbiến không dây.

Định tuyến tiết kiệm năng lượng

tổng chuỗi cây hợp dữ

Chương 2: ĐỊNH TUYẾN VÀ ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

2.1 Tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến không dây

Để tiết kiệm năng lượng cho mạng cảm biến, chúng ta có thể sửdụng giải pháp phần cứng hoặc phần mềm Giải pháp phần cứng

là sử dụng các công nghệ tiết kiệm năng lượng hoặc thay đổi cấutrúc nút cảm biến chạy ở nhiều chế độ tiết kiệm năng lượng khácnhau Giải pháp phần mềm là thiết kế các giao thức mạng hoặccác giao thức định tuyến chạy tiết kiệm năng lượng

2.2 Định tuyến trong mạng cảm biến không dây

Các giao thức định tuyến có thể được phân loại theo các giao

thức kiến trúc phẳng, các giao thức dựa trên thông tin vị trí, các giao thức dựa trên chất lượng dịch vụ và các giao thức có thứ bậc (phân bậc) [4, 81]

2.2.1 Các giao thức kiến trúc phẳng

Giao thức phát tràn (Flooding) là kỹ thuật được sử dụng phổbiến nhất để tìm đường và phát tán thông tin trong mạngMANET không dây và có dây Hoạt động định tuyến này đơngiản, không đòi hỏi chi phí cấu hình mạng tốn kém, không cầncác thuật toán tìm đường phức tạp v.v Theo đó khi một nútnhận được gói tin điều khiển hay gói dữ liệu, nó sẽ gửi đến tất cảcác nút lân cận khác trừ nút đã gửi dữ liệu cho nó [4, 81, 96]

2.2.2 Các giao thức định tuyến theo thông tin địa lý

Khác với các giao thức kiến trúc phẳng, các giao thức định tuyếntheo thông tin địa lý là sử dụng thông tin về vị trí địa lý của các

nút trong mạng để xây dựng tuyến đường hiệu quả giữa nguồn

và đích Ví dụ như các giao thức GAF, GEAR, v.v [37, 81]

2.2.3 Các giao thức dựa trên chất lượng dịch vụ

Các giao thức thuộc loại này đa số thỏa mãn các yêu cầu, các độ

đo về thông lượng, độ trễ, năng lượng, băng thông, khi chuyểnphát gói tin tới đích (sink) Ví dụ giao thức SPEED, SAR, v.v

2.2.4.1 Phân cụm hiệu quả năng lượng dựa trên xác suất

Các phương pháp định tuyến có thứ bậc dựa trên mô hình xácsuất làm tiêu chuẩn để chọn nút ứng viên làm cụm trưởng đãđược đề xuất như: LEACH, LEACH-C [44, 96], v.v

2.2.4.2 Định tuyến phân cụm tập chung

Trong kỹ thuật định tuyến phân cụm tập chung, việc chọn nútứng viên làm CH và phân chia cụm được thực hiện bởi một núttrung tâm, nút này có khả năng tính toán lớn và có nguồn nănglượng không bị hạn chế (sink hoặc BS), do đó mạng sẽ khôngtiêu tốn năng lượng cho việc xây dựng cụm như LEACH-C,

2.2.4.3 Phân cụm hiệu quả năng lượng dựa trên chuỗi

Thay vì các nút trong cụm kết nối, truyền thông trực tiếp mộtchặng với nút CH, các thuật toán định tuyến dựa trên chuỗi giảmkhoảng cách truyền giữa các nút trong cụm bằng cách kết nối và

truyền thông với nút hàng xóm gần nhất, do đó tăng hiệu quả sửdụng năng lượng trong mạng, ví dụ giao thức PEGASIS, v.v.

2.2.4.4 Phân cụm hiệu quả năng lượng dựa trên cây

Khác với lược đồ định tuyến dựa trên chuỗi, các giao thức địnhtuyến theo lược đồ phân cụm dựa trên cây cho hiệu quả nănglượng tốt bằng cách kết hợp giữa phân cụm và xây dựng cây tốithiểu sử dụng thuật toán Prim để giảm khoảng cách truyền giữacác nút trong mạng Điển hình là giao thức TCDGP, STDC, v.v

2.3 Phân cụm tổng hợp dữ liệu

Nếu như các thuật toán phân cụm dự trên chuỗi và cây cho hiệuquả sử dụng năng lượng bằng cách giảm khoảng cách truyềnthông giữa các nút trong mạng thì tổng hợp dữ liệu sẽ loại bỏ dữliệu cảm biến dư thừa từ các nút cảm biến khác nhau trong cácứng dụng mạng cảm biến để lấy về thông tin quan sát chính xáchơn Thêm nữa, nén dữ liệu cũng là giải pháp tốt cho việc tiếtkiệm nguồn năng lượng pin quý hiếm của các nút cảm biến bằngcách giảm số bít dữ liệu mà các nút mạng phải truyền

2.4 Tổng kết chương

Kỹ thuật phân cụm tổ chức mạng thành các cụm để giảm tối đacác truyền thông trực tiếp với BS ở xa Do đó, nó tiết kiệm nănglượng và cho phép các mạng có quy mô lớn được triển khai màkhông gặp phải tình trạng quá tải, đụng độ truyền thông ở một sốđiểm trọng yếu Lược đồ phân cụm dựa trên chuỗi và cây tốithiểu cho hiệu quả sử dụng năng lượng tốt nhờ giảm tối đa tổngkhoảng cách truyền thông giữa các nút trong mạng bằng cáchxây dựng các liên kết ngắn giữa các nút thành chuỗi hoặc câykhung nhiều cấp

Chương 3: ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG

LƯỢNG DỰA TRÊN PHÂN CỤM

3.1 Kỹ thuật định tuyến phân cụm phân tán

Với phân cụm phân tán, hoạt động thiết lập cụm được thực hiện

ở tại các nút trong mạng, ví dụ như giao thức LEACH, HEED,v.v Các nút tự chọn nút làm cụm trưởng, chọn CH gia nhập cụmcùng với hoạt động truyền dữ liệu được thực hiện thông qua việcgửi thông điệp qua lại giữa các nút

3.2 Giao thức định tuyến

LEACH Giai đoạn thiết lập:

Bước 1: Chọn nút cụm trưởng

Các nút mạng sẽ tự mình quyết định có trở thành nút đứng đầucụm hay không theo quy tắc như sau: Mỗi nút chọn một số ngẫunhiên nằm trong khoảng từ 0 tới 1 Nếu số ngẫu nhiên này nhỏhơn giá trị ngưỡng T(i) thì nút đó sẽ trở thành nút cụm trưởng ởvòng hiện tại [44, 96]

k , if i ∈ G 1

k

0 otherwise (i ∉ G)Trong đó: - G là tập hợp các nút không được lựa chọn làm

CH trong (1/k) vòng cuối

- k là tỉ lệ phần trăm nút cụm trưởng (k=5% [44])

- r là vòng hiện tại

Bước 2: Bước xây dựng cụm

Các nút CH quảng bá vai trò mới của mình cho các nút khác trong mạng bằng cách gửi thông điệp HEAD_Adv_Msg Các nút

khác nhận thông điệp và quyết định gia nhập cụm nào dựa vàoviệc tính độ mạnh tín hiệu RSSI từ các thông điệp quảng bánhận được và gửi thông điệp gia nhập cụm tới CH tương ứng.

Bước 3: Tạo bộ lập lịch TDMA và CDMA

Sau khi tổ chức mạng thành các cụm, các CHs tạo khe thời gianTDMA cho các nút thành viên trong cụm để truyền dữ liệu trongcụm và chọn một mã CDMA để nó truyền dữ liệu tới BS, việclàm này tránh được đụng độ xảy ra trong giai đoạn truyền dữliệu bên trong cụm và liên cụm

Sang giai đoạn ổn định trạng thái

Các nút mạng bắt đầu cảm biến và truyền dữ liệu về nút CHthông qua khe thời gian TDMA đã được cấp phát Sau mộtkhoảng thời gian xác định (vòng), mạng sẽ quay trở lại giai đoạnthiết lập và bắt đầu một vòng mới bằng cách lựa chọn lại CH vàxây dựng lại cụm

3.3 Đề xuất cải tiến giao thức LEACH (LEACH-DE)

- D(i, BS) là khoảng cách địa lý từ nút i đến BS

- c là một hằng số dùng để giới hạn giá trị V(i) lớn hơn 0 vànhỏ hơn 1(với kịch bản trong mô phỏng như Bảng 3.1, tácgiả dùng c=0.09)

- DMax là giá trị đường kính mạng, được tính sau khi triển khai mạng

còn sống trong vòng hiện tại, nó được tính như dưới đây:

E

average = ∑Eresidual (i) (3.3)

n i=1

Bước xây dựng cụm (xem Hình 3.4)

Sau khi chọn được các nút CHs, các CHs gửi quảng bá thôngđiệp HEAD_Adv_Msg đến các nút khác trong mạng Các nútkhông phải CHs nhận thông điệp HEAD_Adv_Msg từ các CHs,ước lượng khoảng cách theo hàm fcriterion(i, CHj) và gửi thôngđiệp gia nhập cụm JOIN_Clu_Msg đến nút CH tương ứng

Mô hình năng lượng

Để truyền q bít dữ liệu giữa hai nút ở khoảng cách d(a, b),

năng lượng tiêu thụ được tính như dưới đây [44, 75, 96, 109]:

− Efriis và Eamp là đơn vị năng lượng yêu cầu cho bộ khuếchđại trong mô hình truyền thẳng và hai tia mặt đất, nó phụthuộc vào khoảng cách và mô hình truyền thông vô tuyến.

Để nhận q bít dữ liệu, năng lượng tiêu thụ là:

E Rx (q) = q × E elec (3.8)

3.4 Phân tích kết quả mô phỏng

Về độ phức tạp tính toán của LEACH-DE, mỗi nút chỉ cần tínhgiá trị hàm V(i) và f() theo công thức (3.2) và (3.4), do đó độphức tạp tính toán là O(n) Để kiểm chứng LEACH-DE, chúngtôi đã tiến hành cài đặt và chạy mô phỏng các giao thức

LEACH, LEACH-C và LEACH-DE trên nhiều kịch bản khácnhau dựa trên bộ công cụ ns-2 Các kết quả mô phỏng cho thấy

tỉ lệ nút còn sống theo thời gian của LEACH-DE tăng lên

khoảng 20% so với LEACH Trong khi đó, tỉ lệ gói tin nhậnđược ở BS khi vị trí của BS ở (49, 175) và (49, 225) thì

LEACH-DE giảm 10% so với LEACH

3.5 Tổng kết chương

Giải pháp đề xuất cải tiến của chúng tôi LEACH-DE nâng caohiệu quả sử dụng năng lượng bằng cách chọn nút CH và xâydựng cụm có xem xét đến khoảng cách từ nút đến BS và nănglượng còn lại trung bình của các nút Kết quả mô phỏng khẳngđịnh thuật toán LEACH-DE cho hiệu quả sử dụng năng lượngtốt hơn thuật toán phân cụm LEACH và LEACH-C truyền thốngnhưng tỷ lệ chuyển phát gói tin vẫn thấp hơn LEACH-C Trongcác chương tiếp theo, các điểm yếu chính còn lại của LEACH sẽđược nghiên cứu giải quyết

Bắt đầu một vòng

không?

Còn

Tính toán V(i) ở mỗi nút như

công thức (3.2)

average

V(i)>Thresthold (Có phải là CH?)

Gửi JOIN_Clu_Msg chọn nút CH

Chương 4: ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG

LƯỢNG DỰA TRÊN CHUỖI

4.1 Đặt vấn đề

Trong định tuyến phân cụm, các liên kết đơn chặng từ các nútthành viên đến CH trong cụm có khoảng cách xa, do đó hiệu quả

sử dụng năng lượng chưa cao Để khắc phục vấn đề này, tác giả

đề xuất giải pháp xây dựng chuỗi kết hợp với tổng hợp, nén dữliệu để giảm các liên kết có khoảng cách dài và giảm số bít dữliệu cần truyền từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượngtrong các hệ thống thông tin cảm biến

4.2 Phân tích tổng hợp dữ liệu

Trong mạng WSN, các nút cảm biến quan sát môi trường vàđịnh kỳ gửi gói dữ liệu tương quan tới BS Chúng ta có thể sửdụng kỹ thuật nén mã nguồn phân tán (DSC-Distributed SourceCoding) để giảm kích thước gói dữ liệu truyền trong mạng Hơnnữa, tổng hợp dữ liệu cũng là một kỹ thuật tốt để đạt được hiệuquả năng lượng bằng cách loại bỏ các thông tin trùng lặp sửdụng lý thuyết Dempster-Shafer Tuy nhiên, độ phức tạp về thờigian tính toán của lý thuyết Dempster-Shafer tăng lên theo hàm

mũ khi số lượng nút cảm biến trong mạng tăng với số lượng lớn

Vì thế, Zeng và các cộng sự đã đề xuất thuật toán tổng hợp dữliệu năng lượng thấp (LEECF) dựa trên phân tích ma trận [119].Nhóm tác giả đã chứng minh được rằng kết quả đạt được từLEECF là giống với Dempster-Shafer nhưng thời gian tiêu tiêutốn là nhỏ hơn

4.3 Đề xuất cải tiến thuật toán xây dựng chuỗi dài

4.3.1 Giai đoạn chọn nút lãnh đạo chuỗi

Giai đoạn đầu của mỗi vòng, tất cả các nút còn sống sẽ gửithông điệp, chúng chứa mã định danh, vị trí và năng lượng cònlại tới BS BS sẽ tính toán chọn nút lãnh đạo chuỗi, chúng cómức năng lượng còn lại lớn hơn mức năng lượng còn lại trungbình của các nút còn sống theo (3.3) và hàm cost đạt giá trị lớnnhất như công thức (4.7).

- d(i, BS) là khoảng cách địa lý từ nút ứng viên thứ i đến BS,

nó được tính dựa vào công thức (3.5)

- Hằng số ec1 và dc2 được thiết lập để dung hòa tỷ lệ giữanăng lượng còn lại của nút và khoảng cách từ nút i đến BS.Khi ec1 là lớn hơn dc2, điều đó có nghĩa là năng lượng cònlại quan trọng hơn khoảng cách giữa nút ứng viên và BS khixem xét chọn nút CH lãnh đạo chuỗi Ở đây, trong các kịchbản mô phỏng với các tham số mô phỏng như Bảng 3.1, chúng tôi chọn giá trị ec1=2/J và dc2 = 5/m

- Hàm cost() trả về giá trị hằng số, dùng làm tiêu chuẩn chọnnút CH, nút nào có giá trị cost() lớn nhất trong cụm sẽ đượcchọn ở vòng hiện tại

4.3.2 Giai đoạn xây dựng chuỗi

Sau khi chọn nút CH, BS xây dựng chuỗi dựa trên thuật toántham lam (GA-Greedy Algorithms) và phân bố thông tin này tớitất cả các nút trong mạng Để giảm liên kết dài, DFCB thực hiện