Luận án tiến sĩ nghiên cứu giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng cho mạng sensor

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 LUẬN ÁN TIẾN SỸ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội – 2017 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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: LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. NGUYỄN ĐÌNH VIỆT Hà Nội – 2017 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu sinh Nguyễn Duy Tân xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn khoa học của mình là PGS. Nguyễn Đình Việt, những chỉ dẫn tận tình và sự động viên, khích lệ của thầy đã giúp nghiên cứu sinh hoàn thành luận án này. Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo môi trường thuận lợi và điều kiện nghiên cứu tốt cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình làm nghiên cứu.

Đồng thời, nghiên cứu sinh cũng xin được cảm ơn các thầy, cô Bộ môn Truyền thông và Mạng máy tính, phòng thí nghiệm Hệ thống nhúng, các thầy, cô Khoa Công nghệ Thông tin Trường Đại học Công nghệ đã hỗ trợ nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và bảo vệ luận án, các NCS, HVCH và sinh viên đã tham gia seminar của phòng thí nghiệm Hệ thống nhúng trong những năm qua. i LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án “Nghiên cứu giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng cho mạng sensor” là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn tận tình của PGS. Nguyễn Đình Việt, và không chứa bất kỳ nội dung nào được sao chép từ các công trình đã được người khác công bố. Các tài liệu trích dẫn là trung thực và được chỉ rõ nguồn gốc.

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan trên. Hà Nội, ngày tháng năm 2017 ii LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỤC LỤC DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ. vi BẢNG CÁC KÝ HIỆU. ix DANH MỤC CÁC BẢNG .xii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ.xiii Chương 1: MỞ ĐẦU.

Mạng cảm biến không dây. Sự ra đời của mạng cảm biến không dây. Các ứng dụng điển hình của mạng cảm biến không dây. Các ứng dụng đã được áp dụng trong thực tế.

Các ứng dụng trong tương lai và các yêu cầu kèm theo. Các vấn đề phải nghiên cứu, giải quyết. Tình hình nghiên cứu trên thế giới. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án và các vấn đề được giải quyết. Các mục tiêu cụ thể. Nội dung luận án. Đóng góp của luận án.

15 Chương 2: ĐỊNH TUYẾN VÀ ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY. Giải pháp tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến không dây. Giải pháp tiết kiệm năng lượng trong kiến trúc nút cảm biến. Giải pháp tiết kiệm năng lượng trong điều khiển truy nhập môi trường truyền dẫn không dây.

Giải pháp tổng hợp dữ liệu. Định tuyến trong mạng cảm biến không dây. Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây. Các giao thức kiến trúc phẳng.

Các giao thức định tuyến theo thông tin địa lý. 25 iii LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Các giao thức dựa trên chất lượng dịch vụ. Các giao thức có thứ bậc.

Phân cụm hiệu quả năng lượng dựa trên xác suất. Định tuyến phân cụm tập trung. Phân cụm hiệu quả năng lượng dựa trên chuỗi. Phân cụm hiệu quả năng lượng dựa trên cây tối thiểu.

Giao thức ngưỡng nhạy cảm năng lượng thấp. Phân cụm tổng hợp dữ liệu. Tổng kết chương. 47 Chương 3: ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG DỰA TRÊN PHÂN CỤM.

Kỹ thuật định tuyến phân cụm phân tán. Đề xuất cải tiến giao thức LEACH. Mô phỏng để đánh giá hiệu quả của đề xuất cải tiến giao thức LEACH. Phân tích và so sánh với các thuật toán cùng hướng khác.

Tổng kết chương. 67 Chương 4: ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG DỰA TRÊN CHUỖI. Phân tích tổng hợp dữ liệu. Đề xuất cải tiến thuật toán xây dựng chuỗi dài.

Giai đoạn chọn nút cụm trưởng (CH). Giai đoạn xây dựng chuỗi. Giai đoạn tổng hợp dữ liệu trong chuỗi. Giai đoạn truyền dữ liệu.

Mô phỏng để đánh giá hiệu quả của đề xuất cải tiến giao thức DFCB. Phân tích và so sánh với các thuật toán cùng hướng khác. Đề xuất cải tiến lược đồ xây dựng cụm chuỗi. Giai đoạn thiết lập cụm.

Giai đoạn cảm biến và truyền dữ liệu. Mô phỏng để đánh giá hiệu quả của giao thức đề xuất SCBC. 94 iv LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Phân tích, đánh giá và so sánh thời gian sống của mạng khi áp dụng các giao thức PEGASIS, IEEPB và SCBC.

Phân tích, đánh giá và so sánh năng lượng tiêu thụ của mạng khi áp dụng các giao thức PEGASIS, IEEPB và SCBC. Phân tích và so sánh với các thuật toán cùng hướng khác. Tổng kết chương. 98 Chương 5: ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG DỰA TRÊN CÂY TỐI THIỂU.

Lược đồ định tuyến kết hợp với tổng hợp dữ liệu trên cây. Đề xuất cải tiến thuật toán xây dựng cụm cây. Giai đoạn thiết lập cụm cây. Giai đoạn truyền dữ liệu.

Kết hợp với lập lịch ngủ. Phân tích tiêu thụ năng lượng trong giao thức SSTBC. Thuật toán lập lịch ngủ. Phân tích, đánh giá và so sánh thời gian sống của mạng khi áp dụng các giao thức PEGASIS, STDC, DFTBC và SSTBC.

Các tham số mô phỏng. Kết quả mô phỏng DFTBC. Kết quả mô phỏng giao thức SSTBC. Phân tích và so sánh với các thuật toán cùng hướng khác.

Tổng kết chương. 125 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN. 128 TÀI LIỆU THAM KHẢO. Lý thuyết Dempster-Shafer.

147 v LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ STT Từ viết tắt Cụm từ tiếng Anh Diễn giải Adaptive Threshold sensitive Giao thức mạng cảm biến 1 APTEEN Energy Efficient Sensor hiệu quả năng lượng ngưỡng Network Protocol nhạy cảm thích ứng 2 BS Base Station Trạm cơ sở Centralized Energy Effcient Phân cụm tập trung cho hiệu 3 CEEC Clustering quả năng lượng 4 CH Cluster Head Cụm trưởng 5 CO2 Carbon Dioxide Đi-ô-xit các bon LEACH dựa trên khoảng 6 DB-LEACH Distance-based LEACH cách 7 DD Directed Diffusion Truyền thông trực tiếp Data Fusion and Chain-Based Tổng hợp dữ liệu và phân 8 DFCB Clustering cụm dựa trên chuỗi Data Fusion and Tree-Based Tổng hợp dữ liệu và phân 9 DFTBC Clustering cụm dựa trên cây 10 DKF Distributed Kalman Filter Lọc Kalman phân tán 11 DSC Distributed source coding Mã nguồn phân tán Energy-Aware Routing Giao thức định tuyến nhận 12 EAP Protocol biết năng lượng Energy Efficient Clustering Lược đồ phân cụm cho hiệu 13 EECS Scheme quả năng lượng Energy Efficient Two Level Phân cụm phân tán hai mức 14 EE-TLDC Distributed Clustering cho hiệu quả năng lượng Energy-efficient Uniform Thuật toán phân cụm đồng 15 EEUCA Clustering Algorithm dạng hiệu quả năng lượng Enhancing the Performance Nâng cao hiệu năng cho 16 EPLEACH of LEACH LEACH 17 GA Greedy Algorithm Thuật toán tham lam Geographical Adaptive Sự chính xác thích ứng theo 18 GAF Fidelity địa lý 19 GEAR Geographical Energy Aware Định tuyến cảm nhận năng vi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Routing lượng và địa lý Graph Embedding for 20 GEM Định tuyến nhúng đồ thị Routing 21 GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu Geography-Informed Sleep Lập lịch ngủ có báo thông 22 GSSC Scheduling and Chaining tin địa lý và định tuyến dựa Based Routing trên chuỗi General Self-Organized Tree- Cân bằng năng lượng dựa 23 GSTEB Based Energy-Balance trên cây tự tổ chức tổng quát Hybrid, Energy-Efficient, Phân cụm phân tán, hiệu quả 24 HEED Distributed Clustering năng lượng, lai ghép 25 ID Identification Định danh Institute of Electrical and Viện kỹ nghệ Điện và Điện 26 IEEE Electronics Engineers tử Giao thức dựa trên Improved Energy-Efficient 27 IEEPB PEGASIS hiệu quả về năng PEGASIS-Based protocol lượng được cải tiến Thuật toán định tuyến hiệu Load Balance and Energy 28 LBEERA quả năng lượng và cân bằng Efficient Routing Algorithm tải Low-Energy Adaptive Phân cấp phân cụm thích 29 LEACH Clustering Hierarchy ứng năng lượng thấp 30 LEACH-C LEACH - Centralized LEACH - Tập trung Low-Energy Event Centric Tổng hợp tập trung theo sự 31 LEECF Fusion kiện, năng lượng thấp Điều khiển truy nhập đường 32 MAC Medium Access Control truyền Multiple Aggregator Multiple 33 MAMC Đa tổng hợp đa chuỗi Chain 34 MANET Mobile Ad hoc NETwork Mạng tùy biến di động Micro-Electro-Mechanical 35 MEMS Hệ thống vi cơ điện tử System Minimum Energy Reliable Tập hợp thông tin tin cậy 36 MERIG Information Gathering năng lượng tối thiểu vii LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Network Simulator Version Công cụ mô phỏng mạng 37 NS2 2.0 phiên bản 2 An Optimal Mechanism of Một kỹ thuật tối ưu cho 38 OMLEACH LEACH LEACH Tập hợp hiệu quả năng Power-Efficient Gathering in 39 PEGASIS lượng trong hệ thống thông Sensor Information Systems tin cảm biến Received Signal Strength Chỉ thị độ mạnh tín hiệu 40 RSSI Indication nhận được Sequential Assignment 41 SAR Định tuyến phân chia tuần tự Routing Sector-Chain Based Phân cụm dựa trên cung 42 SCBC Clustering chuỗi 43 SCH Secondary Cluster Head Cụm trưởng thứ hai Stateless Non-deterministic Chuyển tiếp địa lý không 44 SNGF Geographic Forwarding xác định phi trạng thái Stateless Protocol for Real- Giao thức phi trạng thái 45 SPEED Time Communication truyền thông thời gian thực Giao thức cảm biến cho Sensor Protocols for 46 SPIN thông tin thông qua đàm Information via Negotiation phán Sleep Scheduled and Tree- Phân cụm dựa trên cây và 47 SSTBC Based Clustering lập lịch ngủ 48 TBC Tree-Based Clustering Phân cụm dựa trên cây Tree-Clustered Data Giao thức thu thập dữ liệu 49 TCDGP Gathering Protocol cây phân cụm Threshold sensitive Energy Giao thức mạng cảm biến 50 TEEN Efficient Sensor Network hiệu quả năng lượng nhạy Protocol với ngưỡng 51 TTL Time To Live Thời gian sống 52 U-LEACH Universal - LEACH LEACH - phổ biến 53 VLSI Very-large-scale integration Tích hợp phạm vi rất lớn 54 WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây viii LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.