Luận án tiến sĩ: Định tuyến tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến không dây - Học viện Bưu chính Viễn thông

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG --------------------------------------- PHAN THỊ THỂ ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TP HỒ CHÍ MINH - 2021 luan an HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG --------------------------------------- PHAN THỊ THỂ ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY CHUYÊN NGÀNH: HỆ THỐNG THÔNG TIN MÃ SỐ: 9.04 TP HỒ CHÍ MINH - NĂM 2021 luan an LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong nghiên cứu này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.HCM, ngày tháng 08 năm 2021 Học viên thực hiện Phan Thị Thể luan an LỜI CÁM ƠN Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn, ngoài những cố gắng nỗ lực của bản thân, Em đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của quý Thầy Cô. Nhân dịp này, Em xin gửi lời cảm ơn trân trọng nhất tới PGS.TS Trần Công Hùng, người đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo, chia sẻ kiến thức, tài liệu, tạo mọi điều kiện thuận lợi và định hướng cho em trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Bên cạnh đó, Em cũng gởi lời cám ơn đến Ban Giám Hiệu nhà trường và tất cả các Thầy cô của Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông đã giảng dạy và dìu dắt em trong trong suốt quá trình học tập tại trường.

Đồng thời, em cũng đã nhận được rất nhiều sự hỗ trợ tận tình từ các bạn học cùng với sự động viên khích lệ và ủng hộ của đồng nghiệp, bạn bè và gia đình. Mặc dù đã nỗ lực hết sức mình, nhưng chắc rằng luận văn khó tránh khỏi thiếu sót. Em rất mong nhận được sự chỉ bảo tận tình của quý Thầy Cô và các Anh chị. Em xin chân thành cảm ơn! TP.HCM, ngày tháng 08 năm 2021 Học viên thực hiện luận văn luan an MỤC LỤC MỞ ĐẦU.

Lý do chọn đề tài. Mục tiêu của đề tài. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:. Phương pháp nghiên cứu.

Các đóng góp chính của luận án. Cấu trúc của luận án. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY. Giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây.

Cấu trúc của một nút mạng. Kiến trúc giao thức mạng. Các thách thức và trở ngại đối với WSN. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây.

Các tiêu chí đánh giá hiệu suất. Định tuyến trong mạng cảm biến không dây. Kết luận chương. GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN PHÂN CỤM HIỆU QUẢ DỰA TRÊN SINK TĨNH.

Kỹ thuật định tuyến phân cụm trong mạng cảm biến không dây .2 Ưu Điểm Của Kỹ Thuật Phân Cụm .3 Các vấn đề được xem xét khi xây dựng thuật toán dựa trên phân cụm 22 2.4 Quá trình lựa chọn cụm chủ (Cluster head-CH) .5 Quá trình hình thành phân cụm .6 Các giao tiếp trong cụm .23 iv luan an 2. Những công trình liên quan .1 Những giao thức định tuyến phân cấp (Hierarchical protocols).2 Những giao thức định tuyến không đồng nhất .3 Giao thức định tuyến dựa trên dữ liệu (Data centric protocols) .4 Giao thức dựa trên vị trí (Location-based protocols) .5 Thuật toán phân cụm và A-Sao với logic mờ. Thuật toán tối ưu năng lượng trong mạng không dây không đồng nhất dựa trên giao thức không đồng nhất DEC .2 Quá trình phân cụm.3 Hoạt động của giao thức đề xuất .4 Đánh giá giải pháp. Cải tiến việc phân cụm trong mạng cảm biến không dây .1 Giới thiệu thuật toán .2 Thuật toán đề xuất.3 Đánh giá giải pháp.

Phương pháp lựa chọn tuyến đường giữa các nút và cân bằng giữa chúng để kéo dài tuổi thọ cho mạng cảm biến .1 Giới thiệu thuật toán .2 Mô hình giải pháp .3 Đánh giá giải pháp. Kết chương. KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN PHÂN CỤM HIỆU QUẢ DỰA TRÊN SINK DI ĐỘNG. Mô hình sink di động.

Thuật toán MECA (Mobile sink based Energy Efficient Clustering Algorithm). Thuật toán MSA (Mobile Sink Assisted):. Giới thiệu các công trình nghiên cứu theo hướng Mobile Sink. Phân cụm mờ kết hợp với Mobile Sink để kéo dài thời gian sống của mạng cảm biến không dây .1 Giới thiệu thuật toán .2 Mô hình tiêu thụ năng lượng .3 Mô hình sink di động .4 Hoạt động của giải pháp đề xuất .5 Đánh giá giải pháp.

Sử dụng chiến lược di chuyển để tiết kiệm năng lượng của Mobile Sink trong mạng cảm biến không dây .2 Thuật toán tìm đường đi ngắn nhất Dijkstra .3 Lưu đồ hoạt động của thuật toán đề xuất: .4 Đánh giá giải pháp: .5 Thuật toán ACO kết hợp với LEACH-C và sink di động .96 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .100 CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU .103 TÀI LIỆU THAM KHẢO .105 vi luan an DANH MỤC HÌNH Hình 1-1: Một mạng cảm biến không dây điển hình. Các thành phần của một nút cảm biến. Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến.11 Hình 2-1: Mạng đơn bước; Hình 2-2: Mạng đa bước .24 Hình 2-3 Phân cụm với truyển thông đơn chặng (single hop) tới sink (bên trái) và phân cụm với truyền thông đa chặng (multi hop) đến sink (bên phải) .25 Hình 2-4: Mô hình mạng LEACH .26 Hình 2-5: Ví dụ về lưới ảo trong GAF .37 Hình 2-8: Sự chuyển trạng thái trong GAF .38 Hình 2-7 Sơ đồ khối cho các giao thức EDEEC, EDDEEC, BEENISH, Giao thức đề xuất trong quá trình lựa chọn CH .44 Hình 2-8 Mô hình mạng cảm biến không đồng nhất 4 mức độ .45 Hình 2-9- Đồ thị so sánh thời gian sống của các giao thức tham gia mô phỏng .48 Hình 2-10: Đồ thị so sánh thời gian các nút chết của các giao thức tham gia mô phỏng .49 Hình 2-11 Đồ thị so sánh thông lượng của các giao thức tham gia mô phỏng. Đồ thị so sánh năng lượng còn lại trung bình của các giao thức tham gia mô phỏng .51 Hình 2-13: Lược đồ chọn CH node trong giao thức SEP .54 Hình 2-14: Lược đồ các bước chạy của thuật toán SEP_𝜀𝐹𝐶𝑀 .55 Hình 2-15: Giao thức SEP sau 1200 vòng chạy.57 Hình 2-16: Giao thức kết hợp SEP_𝜀𝐹𝐶𝑀 sau 1200 vòng chạy .58 Hình 2-18: Năng lượng còn lại .59 Hình 2-19: Logic mờ với 2 biến đầu vào (RE, TL) và biến đầu ra NC .61 Hình 2-20: Đồ thị liên kết cho biến đầu vào Năng lượng còn lại (RE) .61 Hình 2-21: Đồ thị liên kết cho biến đầu vào Tải lưu lượng (TL) .61 Hình 2-22: Đồ thị liên kết cho biến đầu ra Chi phí nút (NC) .62 Hình 2-23: Lưu đồ thuật toán đề xuất .64 Hình 2-24 Trung bình năng lượng còn lại sau 20000 vòng truyền .66 Hình 2-25 Số nút sống sau 20000 vòng truyền .66 Hình 2-26: Thống kê số vòng khi nút đầu tiên và nút thứ 50 chết (lần 4) .67 vii luan an Hình 3-1.

Hướng di chuyển của Sink trong MECA.71 Hình 3-2 Mô hình sink di động trong thuật toán MECA .72 Hình 3-3 Lưu đồ hoạt động của đề xuất. Các tham số của hệ thống mờ. Hàm mờ cho biến năng lượng. Hàm mờ cho biến khoảng cách cục bộ.

Hàm mờ cho biến khoảng cách đến sink. Hàm mờ cho biến cơ hội .84 Hình 3-9 Minh họa các vị trí của sink. Đồ thị số nút còn sống giữa đề xuất với LEACH, CHEF. Đồ thị năng lượng còn lại giữa đề xuất với LEACH, CHEF.

Đồ thị năng lượng trung bình giữa đề xuất với LEACH, CHEF .88 Hình 3-13: Lưu đồ hoạt động của thuật toán đề xuất.92 Hình 3-14: Mô phỏng so sánh số nút còn sống giữa đề xuất LEACH_CD với LEACH, LEACH_C .94 Hình 3-15: Mô phỏng so sánh mức năng lượng trung bình giữa đề xuất LEACH_CD với LEACH, LEACH_C .94 Hình 3-16: Mô phỏng so sánh mức năng lượng còn lại giữa đề xuất LEACH_CD với LEACH, LEACH_C .95 Hình 3-17 Sơ đồ của thuật toán ACO và Leach-C trên Sink di động .96 Hình 3-18 Mô phỏng so sánh nút mạng còn sống giữa giao thức đề xuất LEACH- CACO và giao thức LEACH, LEACH-C, LEACH-CD. Mô phỏng quá trình tiêu thụ năng lượng giữa giao thức đề xuất LEACH-CACO và giao thức LEACH, LEACH-C, LEACH-CD .98 viii luan an DANH MỤC CÔNG THỨC TOÁN HỌC 2.1 Công thức tính ngưỡng T(n) .2 Công thức tính Tổng năng lượng cần thiết lập (không đồng nhất) .3 Xác suất trọng lượng cho nút normal và advance .4 Ngưỡng cho nút Normal .5 Ngưỡng cho nút Adv .6 Xác suất cho các nút normal và nút advance .7 Ē(r) là năng lượng trung bình tại vòng ‘r’.8 Tổng năng lượng khởi tạo cho toàn mạng .9 Tổng số vòng của mạng .10 Tổng năng lượng tiêu hao trong vòng hiện tại .11 Khoảng cách trung bình giữa nút thành viên đến CH .12 Xác suất sử dụng thuật toán DDEEC .13 Công thức tính ngưỡng theo thuật toán TDEEC .14 Công thức tính ngưỡng theo thuật toán EDEEC .15 Công thức tính ngưỡng theo thuật toán EDDEEC(𝐸𝑖 (𝑟) > 𝑇𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑒 .16 Công thức tính ngưỡng theo thuật toán EDDEEC(𝐸𝑖 (𝑟) < 𝑇𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑒 .17 Công thức tính xác suất chọn CH trong giao thức BEENISH .18 Ngưỡng Ts của các giao thức .19 dhiện tại là khoảng cách thực tế từ nút thứ i đến SINK .20 Công thức tính khoảng cách trung bình từ 1 nút bất kỳ đến SINK.21 Công thức tính xác suất cải tiến điều kiện Ei(r) > Tabsolute.22 Công thức tính xác suất cải tiến khi dhiện tại <= dtrung bình điều kiện Ei(r) > Tabsolute .23 Công thức tính xác suất cải tiến khi dhiện tại >dtrung bình điều kiện Ei(r) > Tabsolute 43 .24 Hàm mục tiêu của thuật toán εFCM .25 Công thức tính ‖𝑡 ‖𝜀 .26 Công thức tính 𝑢𝑖𝑘 .27 Công thức tính 𝑣 .28 Xác suất trọng lượng để có được ngưỡng tuyển chọn CH trong mỗi vòng .29 Ngưỡng cho nút advance.30 Chi phí của nút. 61 ix luan an 3.1 Khi các nút cảm biến ghi lại vị trí ban đầu của sink .2 Cụm chủ CHSi của nó được biểu diễn như El (Si, CHSi) .3 Cụm chủ CHSi của nó được biểu diễn như 𝐸2 (𝑆𝑖 , 𝑆𝑗 , 𝐶𝐻𝑠𝑖 ) .4 Giá trị nhỏ nhất của năng lượng tiêu thụ E2(Si,Sj,CHSi) .5 Năng lượng tiêu thụ E(Si,CHSi) .6 Khoảng cách ngắn nhất giữa CH và BS .7 Công thức tính 𝐸𝑇𝑥 (𝑘, 𝑑 ) .8 Mức năng lượng tiêu hao .9 Giá trị ngưỡng khoảng cách truyền d0 .10 Vị trí của sink di động. 76 x luan an DANH MỤC BẢNG Bảng 1-1.

Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây .19 Bảng 2-1: Bảng các tham số mô phỏng .46 Bảng 2-2: Kịch bản mô phỏng .47 Bảng 2-3: Bảng so sánh tuổi thọ mạng của các giao thức tham gia mô phỏng .