Luận án Tiến sĩ: Tổng hợp dữ liệu tiết kiệm năng lượng WSN - Dương Viết Huy, ĐHQGHN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ DƯ NG VI T HUY TỔNG HỢP DỮ LIỆU NHẰM TI T KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BI N KHÔNG DÂY LUẬN ÁN TI N S CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HÀ NỘI – 2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ DƯ NG VI T HUY TỔNG HỢP DỮ LIỆU NHẰM TI T KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BI N KHÔNG DÂY Chuyên ngành: MẠNG MÁY T NH VÀ TRUYỀN THÔNG DỮ LIỆU Mã số: 9480102.01 LUẬN ÁN TI N S CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. N u Đ V t HÀ NỘI – 2019 LỜI CAM ĐOAN Luận án tiến sỹ của tôi với tên đề tài “Tổng hợp dữ liệu nhằm tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến không dây” (tiếng Anh: Data fusion for energy efficiency in wireless sensor networks) là kết quả nghiên cứu của cá nhân tôi cùng với sự hƣớng dẫn tận tình của ngƣời hƣớng dẫn khoa học PGS. Nguyễn Đình Việt. Nội dung luận án không sao chép từ các luận án cũng nhƣ công trình nghiên cứu khoa học khác.

Các nội dung trích dẫn đƣợc tôi chỉ rõ nguồn tài liệu tham khảo ở trong luận án. Tôi cam đoan những điều trên là đúng sự thật, nếu có gì sai, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Hà nội, ngày tháng 4 năm 2019 Nghiên cứu sinh Dương Viết Huy MỤC LỤC MỤC LỤC. 1 ANH MỤC C C THU T NG.

4 ANH S CH ẢNG. 5 ANH S CH H NH V. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU. MẠNG CẢM I N KH NG DÂY.

Lịch s phát triển. Kiến trúc mạng cảm biế n và một số cách ph n loại. Các thành phần chính c ủa WSNs. Một số cách phân loại mạng.

CÁC VẤN ĐỀ CẦN GIẢI QUY T. Vấn đề tiêu thụ năng lƣợng. Thiết ế no mạng cảm iến. Tổ chức mạng và định tuyến.

Truyền và x l ữ liệu. Tổng hợp dữ liệu. X lý vấn đề ữ liệu ƣ thừa. CÔNG CỤ MÔ PHỎNG MẠNG CẢM BI N.

Bộ mô phỏ ng NS-2. NS-2 và phần mở rộng mô phỏng WSNs của MIT. MÔ HÌNH TỔNG HỢP D LIỆU VÀ BÀI TOÁN THÀNH PHẦN. Mô hình tổng hợp dữ liệu.

Theo dõi mục tiêu và lựa chọn dữ liệu. Theo dõi mục tiêu dựa vào vị trí của nút. Theo dõi mục tiêu dựa vào thời gian. Lựa chọn dữ liệu và truyền đến CH.

Tổng hợp dữ liệu tại CH. Định tuyến phân c ụm thích ứng với năng lƣợng thấp. Tổng hợp dữ liệu tại nút cụm trƣởng. Các khái niệm về lý thuyết tập thô đƣợc s dụng.

Hệ thống thông tin. Hệ quyết định. Lớp con tƣơng đƣơng. Quan hệ không thể phân biệt đƣợc.

Thuộc tính lõi, tập thuộc tính rút gọn. Sự phụ thuộc của thuộc tính. Độ quan trọng của thuộc tính. Luật quyết định, độ chắc chắn c ủa luật quyết định.

Ứng dụng lý thuyết tập thô trong tổng hợp dữ liệu. Ứng dụng để tiền x lý dữ liệu. THEO ÕI MỤC TIÊU TI T KIỆM NĂNG LƢỢNG. THEO ÕI MỤC TI U A VÀO KHOẢNG C CH.

Giới thiệu bài toán. Giải pháp ETR-DF. Mô phỏng và phân tích kết quả. Kết luận về giải pháp ETR-DF.

THEO ÕI MỤC TI U TH CH NGHI THEO TH I GIAN. Giới thiệu bài toán. Giải pháp ATTS-DF. Điểm đo iến động.

Thời gian đo th ch ứng. Trạng thái ổn định đo lƣờng. Mô phỏng và phân tích kết quả. Kết luận về giải pháp ATTS-DF.

TI T KIỆM NĂNG LƢỢNG CỤM NÚT CẢM BI N BẰNG ỨNG DỤNG LÝ THUY T T P THÔ. ỨNG DỤNG LÝ T HUY T T P THÔ TẠI CH ĐỂ TỔNG HỢP D LIỆU. Mô tả bài toán DF nhiều nút c ảm biến. Quy trình ứng dụng RST để tổng hợp dữ liệu.

Ứng dụng Lý thuyết tập thô để quyết định tổng hợp dữ liệu. Xây dựng tƣơng quan giữa lý thuyết tập thô và tổng hợp dữ liệu. Ứng dụng RST để giải ài toán F th o quy trình 8 ƣớc. Kết luận về giải pháp ứng dụng lý thuyết tập thô.

ỨNG DỤNG LÝ T HUY T T P TH ĐỂ TIỀN X L LIỆU ĐẦU VÀO. Giải pháp DP-DF. Quy trình x lý dữ liệu. X lý dữ liệu bị mất (thiếu).

X lý dữ liệu nhiễu (yế u). Thuật toán x lý dữ liệu bị mất và dữ liệu bị nhiễu. X lý dữ liệu ƣ thừa. Minh họa và phân tích kết quả.

Kết luận về giải pháp DP-DF. S DỤNG HIỆU QUẢ TÀI NGUYÊN CỤM CẢM BI N. L A CHỌN NÚT VÀ D LIỆU CỦA CỤM BẰNG C A SỔ TRƢỢT. Giới thiệu bài toán.

Giải pháp DF-SWin. C a sổ trƣợt. Bảng dữ liệu thuộc tính. T nh ch thƣớc c a sổ trƣợt.

Dữ liệu để tổng hợp. Thuật toán DF-SWin. Cài đặt thuật toán. Mô phỏ ng và phân tích kết quả.

Kết luận về giải pháp DF-SWin. TỔNG HỢP LIỆU TI T KIỆM NĂNG LƢỢNG TẠI N T CH. Giới thiệu bài toán. Giải pháp DF-AMS.

Mô phỏng và phân tích kết quả. Kết luận về giải pháp DF-AMS. 127 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ. 132 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

133 -3- DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ V ttt ằng ti ng Anh A-D Analog – Digital AMPS Adaptive Multi-domain Power aware Sensors ATTS-DF Adaptive Target Tracking Solution for multi-sensor Data Fusion in WSNs BS Base Station CDMA Code Division Multiple Access CH Cluster head DF Data fusion DF-AMS Data Fusion – Average Median Sampling DP-DF Data Pre-processing for Data Fusion DF-SWin Sliding Windows for multi-sensor Data Fusion in WSNs ETR-DF Efficiency in TRacking to target in multi-sensor Data Fusion FLAMA Flow-Aware Medium Access IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers LEACH Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy LEACH-C LEACH Centralized LOS Line of Sight LR-WPAN Low Rate Wireless Personal Area Networks MAC Media Access Control MIT Massachusetts Institute of Technology NS Network Simulator OSI Open Systems Interconnection PEGASIS Power Efficient Gathering in Sensor Information System PHY Physical layer PTW Pipelined Tone Wakeup PU Processing unit RSSI Received Signal Strength Indicator RST Rough Set Theory SOFAR Sound Fixing and Ranging channel SOSUS Sound Surveillance System STEM Sparse Topology and Energy Management SU Sensing unit Tag Target TDMA Time Division Multiple Access TOA Time of arrival TRAMA TRaffic-Adaptive Medium Access WINS Wireless Integrated Network Sensors WPAN Wireless Personal Area Network WSNs Wireless Sensor Networks -4- DANH SÁCH BẢNG Bảng 2. Các tham số trong mô phỏng giải pháp ETR-DF. Hiệu quả của việc giảm số lƣợng gói tin c ủa ETR-DF và LEACH. Phân bố xác suất trong m l ần đo.

Các tham số chính c ủa mô phỏ ng. Hệ thống thông tin an đầu của WSNs. Lớp tập con tƣơng đƣơng. Ma trận phân biệt.

Dữ liệu CH nhận c ủa khung truyề n F1. Dữ liệu CH nhận c ủa khung truyề n Fk. IS t ại thời điểm bắt đầu tiền x lý. Giá trị của các thuộc tính Aj Bảng 3.

Dữ liệu đo của mạng cảm biến. Xác suất khi dữ liệu đo ị thiếu. Xác suất khi dữ liệu đo ị nhiễu. Dữ liệu đã x lý thiếu, nhiễu.

Ma tr ận phân biệt. Các phƣơng án ữ kiện đã đƣợc rút gọn để tổng hợp dữ liệu. Dữ liệu thuộc tính chƣa sắp xếp. Dữ liệu thuộc tính đã đƣợc sắp xế p.

Quy ƣớc ký hiệ u s dụng trong thuật toán. Các tham số chính s dụng trong mô phỏ ng DF-SWin. Số cụm và số nút trong mỗi cụm trong quá trình mô phỏng. Kết quả mô phỏng tại thời điểm 80 giây và 320 giây.

Kết quả áp dụng trong thời gian mô phỏng. Dữ liệu đo tại thời điểm tổ ng hợp. Mức đo, giá trị đo của các tham số. Năng lƣợng của các nút trong c ụm.

Dữ liệu cảm biế n của c ụm tại thời điểm 200s.124 -5- DANH SÁCH H NH V Hình 1. Kiến trúc ph n l ớp các giao thức mạng WSNs [36]. Mô hình mạng cảm biến không dây [13, 40]. Hƣớng tiếp c ận theo kiến trúc mạng [38].

Sơ đồ cung c ấp năng lƣợng cho nút cảm biến [39, 56]. Mức tiêu thụ năng lƣợng của các đơn vị chức năng của nút cảm iến 48. Tổng hợp dữ liệu nhiều nút c ảm biến không dây. So sánh lƣu lƣợng theo 2 mô hình truyề n dữ liệu của WSNs.

Tỉ lệ s dụng các phần mề m mô phỏng [71]. Mô hình tổng hợp dữ liệu và các bài toán thành phần. Các phƣơng pháp th o i mục tiêu 13. Vị trí của nút cảm biến so với CH và Tag.

Các vùng ƣu tiên và các mức ƣu tiên. Tọa độ mục tiêu và các nút trong mặt ph ng hảo sát. Phân bố nút, CH và mục tiêu (Tag) ở giây thứ 80. Áp dụng để lựa chọ n nút: a) Cụm 1: 48 nút; b) Cụm 4: 16 nút.

Áp dụng thuật giải đối với Cụm 7 thời điểm giây thứ 120. So sánh việc s dụng năng lƣợng giữa ETR-DF và LEACH. Các mốc thời gian và trạng thái làm việc của nút. Thay đổi của thuộc t nh hi vƣợt ngƣỡng.

Mô hình chuyể n trạng thái c ủa nút c ảm biến. Mô hình trạng thái thích ứng của giải pháp ATTS-DF. Số nút c ảm biến tham gia mô phỏng ATTS-DF. Truyền dữ liệu c ủa các nút cảm biế n trong thời gian mô phỏng.

Đồ thị truyề n dữ liệu của nút số 16 của LEACH. Hiệu quả việc giảm dữ liệu truyề n của ATTS-DF so với LEACH. So sánh mức tiêu thụ năng lƣợng của các nút giữa ATTS-DF và LEACH. Mô tả bài toán tổ ng hợp dữ liệu có s dụng RST.

Mô hình x lý, tổng hợp dữ liệu tại nút CH. Truyền dữ liệu theo khung tin (frame) và theo chu kỳ (T). Lƣu đồ luồng dữ liệu giải pháp DF-SWin. So sánh kết quả mô phỏng đối với các phƣơng án thay đổi số nút.

So sánh mức dự trữ năng lƣợng giữa DF-SWin và LEACH. Minh họ a DF từ n nút cảm biế n, mỗi nút đo l tham số về mục tiêu. Mô hình x lý dữ liệu của DF-AMS. Tỉ lệ nút đƣợc khảo sát và tổng số nút còn hoạt động.

So sánh năng lƣợng EAvg và EMed. Lựa chọn nút cảm biến thông qua ESelect. So sánh số lƣợng gói tin truyền bằng DF- AMS và LEACH. Kết quả tổng hợp dữ liệu của 3 tham số đo lƣờng.125 -7- MỞ ĐẦU Sự xuất hiện của các mạng cảm biến không dây – WSNs (Wireless Sensor Networks) và các ứng dụng của chúng là một trong những xu hƣớng công nghệ chiếm ƣu thế phù hợp với xu thế phát triển của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4 hiện nay và trong những thập kỷ tới.