Đang tải... (xem toàn văn)
Mô hình cân bằng năng lượng và độ trễ trong mạng cảm biến không dâyMô hình cân bằng năng lượng và độ trễ trong mạng cảm biến không dâyMô hình cân bằng năng lượng và độ trễ trong mạng cảm biến không dâyMô hình cân bằng năng lượng và độ trễ trong mạng cảm biến không dâyMô hình cân bằng năng lượng và độ trễ trong mạng cảm biến không dâyMô hình cân bằng năng lượng và độ trễ trong mạng cảm biến không dâyMô hình cân bằng năng lượng và độ trễ trong mạng cảm biến không dâyMô hình cân bằng năng lượng và độ trễ trong mạng cảm biến không dâyMô hình cân bằng năng lượng và độ trễ trong mạng cảm biến không dâyMô hình cân bằng năng lượng và độ trễ trong mạng cảm biến không dây
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG ĐÀM MINH LỊNH MÔ HÌNH CÂN BẰNG NĂNG LƢỢNG VÀ ĐỘ TRỄ TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY CHUYÊN NGÀNH: HỆ THỐNG THÔNG TIN MÃ SỐ: 60.48.01.04 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HCM – NĂM 2016 Luận văn hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS.TRẦN CÔNG HÙNG (Ghi rõ học hàm, học vị) Phản biện 1: ……………………………………………………………… Phản biện 2: ……………………………………………………………… Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Công nghệ Bưu Viễn thông Vào lúc: ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Công nghệ Bưu Viễn thông MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Tổng quan vấn đề nghiên cứu Mục đích đề tài nghiên cứu mô hình cân lƣợng độ trễ mạng cảm biến không dây Mục tiêu chính: - Tìm hiểu mô hình cân tải độ trễ lượng mạng cảm biến không dây - Một số giải thuật kỹ thuật phân cụm (nội cụm, liên cụm) dựa mức lượng khoảng cách nút - Tìm hiểu thuật toán tìm đường ngắn từ CH (chủ cụm) đến BS (có liên kết chuỗi/ mắc xích CH với nhau), Sao cho tiết kiệm lượng độ trễ chấp nhận Dự kiến kết đạt được: - Tìm hiểu tổng quan mạng cảm biến không dây: khái niệm, thành phần cân lượng độ trễ mạng cảm biến - Cài đặt thuật toán LEACH, SEP, để làm mục tiêu, kết mô - Tìm hiểu lý thuyết cài đặt, cải tiến kỹ thuật cân lượng theo kiện đề xuất - Trên sở lý thuyết nghiên cứu, đề tài thực mô để phân tích so sánh hiệu cân lượng độ trễ thuật toán cải tiến đề xuất thuật toán có sẵn Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu mô hình cân lƣợng độ trễ mạng cảm biến không dây Đối tượng nghiên cứu: Phân tích giao thức HEED, LEACH, SEP, OEDSR, giao thức định tuyến phân cụm, giải thuật tối ưu bầy đàn hiệu mạng cảm biến không dây sử dụng giao thức Phạm vi nghiên cứu: - Tập trung nghiên cứu giao thức LEACH, SEP, OEDSR, giải thuật tối ưu bầy đàn sử dụng, mô hình mạng cảm biến không dây - Tìm hiểu công cụ MATLAB 2012b, OMNeT++, NS2 dùng để mô mô hình cân lượng độ trễ cho toàn mạng lưới - Cài đặt đánh giá, so sánh hiệu thuật toán có với thuật toán đề xuất cải tiến Phƣơng pháp nghiên cứu mô hình cân lƣợng độ trễ mạng cảm biến không dây Phương pháp tài liệu: Thu thập thông tin mạng cảm biến yêu cầu lượng độ trễ tạp chí nước, nước ngoài, diễn đàn Internet Phương pháp thực nghiệm: Cài đặt so sánh giải thuật đưa giải thuật cho mô hình đa chặng tìm hiểu nghiên cứu Đóng góp đề tài mô hình cân lƣợng độ trễ mạng cảm biến không dây Ứng dụng việc truyền tải liệu mô hình mạng cảm biến không dây, cân lượng độ trễ, nhằm giải vấn đề tối ưu việc sử dụng lượng có giới hạn Đề tài mô đánh giá kết tối ưu số trường hợp cụ thể định Cấu trúc chƣơng Chương 1: Cơ sở lý luận Chương 2: Lý thuyết kỹ thuật phân cụm Chương 3: Giải thuật phương án đề xuất cho mô hình cân lượng độ trễ Chương 4: Cài đặt mô đánh giá Chƣơng 1- CƠ SỞ LÝ LUẬN 1.1 Tổng quan mạng cảm biến không dây 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Ứng dụng mạng cảm biến không dây 1.2 Thách thức tiết kiệm lƣợng mạng cảm biến không dây 1.3 Kết luận chƣơng Chƣơng - LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT PHÂN CỤM 2.1 Mô hình sóng Radio[1] 2.2 LEACH [1][2] Nút chủ cụm thiết lập tin định thời TDMA truyền tới nút thành viên cụm; Mỗi cụm sử dụng phương pháp đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access), cụm có mã trải phổ (spread code) nhất; Nút chủ gửi liệu tới BS sử dụng mã trải phổ cố định, dùng chế CSMA để tránh xảy xung đột với nút chủ cụm LEACH thực phân cụm việc sử dụng giải thuật phân tán, nút tự định mà không cần điều khiển Ưu điểm phương pháp không yêu cầu việc giao tiếp với trạm gốc, tránh việc tiêu hao lượng nút xa trạm gốc Đồng thời việc hình thành cụm phân tán thực mà không cân biết xác vị trí nút mạng Thêm vào đó, không yêu cầu liên lạc toàn cục pha thiết lập cụm giả thiết trạng thái nút khác trình hình thành cụm Lựa chọn nút chủ cụm Khi cụm đươc tạo ra, nút tự động định có nút chủ cho vòng hay không Quá trình chọn lựa diễn sau: nút cảm biến chọn số ngẫu nhiên Nếu số nhỏ ngưỡng T(n) nút trở thành nút chủ Trong pha phân cụm, nút sensor lựa chọn làm CH nhỏ P if n G 2.7 T (n) 1 P * (r mod ) P otherwise 0 ngưỡng T(n): Trong đó: p tỉ lệ phần trăm chủ cụm r chu kì G tập hợp nút không lựa chọn làm nút chủ 1/p chu kì trước LEACH không xét mức lượng lại để lựa chọn nút chủ, mà vào số lần trở thành nút chủ vòng trước Nếu nút xa trạm gốc (BS) làm tiêu hao lượng nhiều P định số lượng trung bình nút chủ vòng, r số vòng Dùng thuật toán nút nút chủ lần 1/P vòng Chú ý sau 1/P-1 vòng, T1(n)=1 với tấc nút chưa làm nút chủ Khi nút chọn làm nút chủ, thông báo tới tấc nút khác Các nút nút chủ dùng tin từ nút chủ để chọn cụm mà chúng muốn tham gia dựa cường độ tín hiệu nhận tin Sau nút chủ hình thành, định mô hình TDMA cho nút tuỳ thuộc cụm, quảng bá mô hình sau pha trạng thái tĩnh bắt đầu BSSINK Hình 2.2 : Mô hình truyền liệu LEACH Sau vòng, tấc chủ cụm tổng hợp liệu từ nút cảm biến sau chuyển đến nút BS 2.3 LEACH–C[3],[4] 2.4 PEGASIS[6] 2.5 Thuật toán OEDSR[12],[13] 2.6 Kết luận chƣơng Chƣơng - GIẢI THUẬT VÀ PHƢƠNG ÁN ĐỀ XUẤT CHO MÔ HÌNH CÂN BẰNG NĂNG LƢỢNG VÀ ĐỘ TRỄ 3.1 Tổng quát mô hình lƣợng CH gần BS Hình 3.1: Mô tả truyền liệu cho thuật toán đề xuất dạng liên cụm Multihop Chủ yếu dựa vào pha là: - Pha thiết lập cụm: - Pha truyền liệu: 13 disp(C(c).endtoend); ss_ch_dprop = 0; ss_chbsdprop = 0; Vòng lặp for i=1:1:n // duyệt nút bình thường, chủ cụm Điều kiện if(c == S(i).parentId) ss_ch = S(i).min_dis; ss_ch_dprop= ss_ch_dprop + ss_ch/Stocdolantruyen; Kết thúc if ss_chbsdprop = ss_ch_dprop+(C(c).endtoend); Kết thúc lặp for SS_CH(c)=ss_ch_dprop; SS_CHBS(c)=ss_chbsdprop; Kết thúc lặp for 3.3.4 Phân tích áp dụng cho toán tính toán độ trễ A R Mbps BS SINK SINK BS – SINK: Trạm gốc : Nút A đến trạm gốc 14 Hình 3.3: Mô tả mô hình áp dụng tính toán độ trễ cho toán cụ thể Theo mô hình có nút nút A nút BS, kết nối với thông qua liên kết có tốc độ truyền R Mbps Khoảng cách điểm m meters, tốc độ lan truyền liên kết s meters / sec Cuối Nút A gửi đến nút BS gói tin có kích thước L bits Độ trễ lan truyền là: dprop (3.6) Thời gian truyền gói tin là: (3.7) trans Giả định đây: Độ trễ xử lý (dproc) độ trễ hàng đợi (dqueue) không tính Thì công thức tổng độ trễ từ nút A đến BS xác định sau: (3.8) Nếu dùng gói tin 54 Kbyte, độ trễ truyền tải từ Nút A đến BS tính sau: (3.9) 3.5 Kết luận chƣơng 15 Năng lƣợng: + Đưa mô hình lượng theo dạng liên cụm, sau bầu chọn Chủ cụm xong chuyển tiếp liệu đến chủ cụm gần BS nhất, nhằm giải vấn đề Chủ cụm xa BS-Sink, tránh tiêu hao nhiều lượng việc truyền nhận liệu + Trong mô hình đề xuất này, đưa kỹ thuật áp dụng nhiều thực tế, sống, điều kiện tự nhiên khác Nên việc chọn trạm BS- Sink xa để thu nhận tín hiệu liệu trường hợp bình thường Độ trễ: + Đưa mô hình độ trễ cho giải thuật LEACH, áp dụng tính toán độ trễ cụ thể từ nút bình thường đến Chủ cụm (CH) mà quản lý đến nút BS- SINK + Tìm hiểu chi tiết toán độ trễ cho việc truyền nhận liệu với thông số quan trọng liên quan áp dụng mô cụ thể chương 16 Chƣơng - CÀI ĐẶT MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ Cài đặt thuật toán có thuật toán đề xuất chương 2, để đánh giá mức độ cải thiện, việc cân tải lượng mạng cảm biến không dây theo hướng kiện Bảng 4.1: Các thông số mô đánh giá Tên thông số Giá trị thông số Số lượng nút 100 Năng lượng ban đầu 0.5J Kích thước 200x200m Tọa độ nút BS (x,y) x 0.8 Năng lượng truyền ERX = ETX 50nJ / bit Tổng hợp liệu EDA 5nJ / bit / report Truyền khuếch đại If dtoBS d0 Truyền khuếch đại If dtoBS d0 fs = 10pJ / bit / m2 =mp = 0.0013pJ / bit / m4 17 4.1 Cài đặt mô giải thuật LEACH Hình 4.1: Mô tả cài đặt tấc thuật toán đƣợc thực 100 sensor, qua 1000 vòng, tọa độ nút BS đặt vị trí x=1, y=0.8 18 Hình 4.2: Thể mức tiêu hao lƣợng cài đặt thuật toán LEACH, thực 100 nút sensor qua 1000 vòng, cho thấy nút chết vòng thứ round = 254 19 4.2 Cài đặt mô giải thuật SEP Hình 4.3: Thể mức tiêu hao lƣợng cài đặt thuật toán SEP, thực 100 nút sensor qua 1000 vòng, cho thấy nút chết vòng thứ round = 246 20 4.3 Cài đặt mô giải thuật cân lƣợng Hình 4.4: Thể mức tiêu hao lƣợng cài đặt thuật toán đề xuất, thực 100 nút sensor qua 1000 vòng, cho thấy nút chết vòng thứ round = 323 21 4.4 So sánh kết lƣợng đƣợc mô Thuật toán đề xuất BALANCED LEACH, SEP LEACH SEP BALANCED 80 70 Number of Dead Nodes 60 50 40 30 20 10 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Round Number 1000 Hình 4.5: Phần mềm ORIGINPRO 8.5.1 để vẽ sơ đồ so sánh kết thuật toán đƣợc đề xuất BALANCED LEACH, SEP, đƣợc thực 100 nút sensor qua 1000 vòng, cho thấy thuật toán đƣợc đề xuất tối ƣu lƣợng thể đƣợc mức tiêu hao lƣợng vòng mạng lƣới 22 4.6 Bảng so sánh kết mức tối ƣu lƣợng 350 SEP BALANCED LEACH 323 315 Node dead of Rounds 280 245 254 246 210 175 140 105 70 35 0.8 1.2 1.6 2.0 Round Number 1000 Hình 4.6: Kết tối ƣu lƣợng thuật toán đƣợc thực 100 nút, nút hết lƣợng LEACH vòng thứ 253, SEP vòng thứ 246, BALANCED vòng thứ 323 23 4.7 Kết mô độ trễ Thông số mô phỏng: Số lượng nút ngẫu nhiên: 10 nút, qua trình bầu chọn CHs, nút bình thường mô hình Hình 4.6 Kích thước hệ trục tọa độ X, Y=1000x1000m Nút BS-SINK (1000,1000(m)) = (X, Y) Hình 4.7: Mô tả độ trễ đƣợc phân cụm nhiều vùng khác nhau, vị trí nút bình thƣờng, nút CHs, BS-SINK 24 4.7.1 Độ trễ nút bình thường thuộc vùng quản lý Chủ cụm 5.00E+011 Delay SS_CH Delay SS_CH (s) 4.00E+011 3.00E+011 2.00E+011 1.00E+011 0.00E+000 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 Sensers to Clusters Hình 4.8: Mô tả tính tổng độ trễ nút bình thƣờng thuộc vùng mà Chủ cụm quản lý 25 Độ trễ chủ cụm đến BS/SINK 4.7.2 5.00E+011 Delay of Cluster 4.50E+011 Delay of Cluster (s) 4.00E+011 3.50E+011 3.00E+011 2.50E+011 2.00E+011 1.50E+011 1.00E+011 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 Clusters Hình 4.9: Mô tả độ trễ vị trí nút CHs đến BS-SINK 26 4.7.3 Tính tổng độ trễ từ nút bình thường thuộc Chủ cụm mà trực tiếp quản lý đến nút BS/SINK Delay SS_CH_BS/SINK Delay SS_CH_BS/SINK (s) 7.00E+011 6.00E+011 5.00E+011 4.00E+011 3.00E+011 2.00E+011 1.00E+011 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 Total delay from Sensor-CH-BS Hình 4.10: Mô tả tổng độ trễ vị trí nút cảm biến bình thƣờng đến CHs đến BS-SINK 4.8 Công cụ Mô thuật toán Phần mềm MATLAB 2012b (64 bit) để cài đặt thuật toán, mô thuật toán Phần mềm ORIGINPRO 8.5.1 để vẽ sơ đồ mô kết thuật toán 4.9 Kết luận chƣơng 27 - Về độ trễ: Đưa hướng đề xuất, sau mô phỏng, tính toán độ trễ cho giải thuật LEACH, toán tính độ trễ cho tấc nút mô hình mạng cảm biến - Về lượng: Mô phỏng, tính toán lượng tiêu hao theo mô hình liên cụm, tránh tiêu hao lượng đáng kể, nhằm giải toán chủ cụm xa với trạm gốc 4.10 Kết luận hƣớng phát triển Về độ trễ: Đưa mô hình đề xuất cho thuật toán LEACH, cài đặt thuật toán mô chi tiết cụ thể cho thuật toán này, với thời gian độ trể tính từ nút thuộc CH, sau tính độ trể từ CH đến BS cuối tính tổng độ trể từ nút thành viên thuộc CH đến BS cho cụm thuộc vùng BS quản lý Phát triển lên mô hình đa chặng Về lƣợng: Đưa mô hình đề xuất cho thuật toán cân lượng, làm cho giảm thời gian tiêu hao lượng nút, đồng thời kéo dài tuổi thọ cho mạng lưới Trong mô hình đề xuất này, mô so sánh với thuật toán LEACH, SEP Qua kết cho thấy tối ưu số nút chết kéo dài tuổi thọ mạng lưới lâu Cài đặt thuật toán đề xuất theo dạng bầu chọn chủ cụm tĩnh [...]... LEACH, bài toán tính độ trễ cho tấc cả các nút trong mô hình mạng cảm biến - Về năng lượng: Mô phỏng, tính toán được năng lượng tiêu hao theo mô hình liên cụm, tránh tiêu hao năng lượng đáng kể, nhằm giải quyết được bài toán khi một chủ cụm ở xa với trạm gốc 4.10 Kết luận và hƣớng phát triển Về độ trễ: Đưa ra mô hình đề xuất mới cho thuật toán LEACH, được cài đặt thuật toán và mô phỏng rất chi tiết... quản lý và đến nút BS- SINK + Tìm hiểu chi tiết về bài toán độ trễ cho việc truyền nhận dữ liệu với các thông số quan trọng liên quan và sẽ được áp dụng mô phỏng cụ thể ở chương 4 tiếp theo 16 Chƣơng 4 - CÀI ĐẶT MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ Cài đặt thuật toán đã có và thuật toán được đề xuất ở chương 2, 3 để đánh giá được mức độ cải thiện, về việc cân bằng tải năng lượng trong mạng cảm biến không dây theo... thời gian độ trể tính từ các nút thuộc CH, sau đó tính độ trể từ CH đến BS và cuối cùng là tính tổng độ trể từ nút thành viên thuộc CH đến BS cho mỗi cụm thuộc vùng BS quản lý Phát triển lên mô hình đa chặng Về năng lƣợng: Đưa ra mô hình đề xuất mới cho thuật toán cân bằng năng lượng, làm cho giảm thời gian tiêu hao năng lượng của 1 nút, đồng thời kéo dài tuổi thọ cho mạng lưới Trong mô hình đề xuất... chuyển tiếp(CH) đến BS Tính năng lượngcòn lại nút chuyển tiếp Er } Nút cảm biến { 10 Tìm nút chủ cụm gần nhất để gửi thông tin Tính lại năng lượng } Kết thúc lặp Rmax 3.3 Mô hình Độ trễ cho giao thức LEACH [5] 3.3.1 Mô hình tổng quát d d0 BS – SINK: Trạm gốc : Nút Chủ cụm : Nút bình thường d: Khoảng cách từ CH đến BS Hình 3.2: Mô tả về mô hình tổng quát độ trễ cho thuật toán LEACH... L bits 1 Độ trễ lan truyền là: dprop (3.6) 2 Thời gian truyền gói tin là: (3.7) trans 3 Giả định rằng ở đây: Độ trễ xử lý (dproc) và độ trễ hàng đợi (dqueue) không tính Thì công thức tổng độ trễ từ nút A đến BS được xác định như sau: (3.8) 4 Nếu dùng gói tin 54 Kbyte, thì độ trễ truyền tải từ Nút A đến BS sẽ được tính như sau: (3.9) 3.5 Kết luận chƣơng 3 15 Năng lƣợng: + Đưa ra mô hình năng lượng theo... tránh tiêu hao nhiều năng lượng trong việc truyền nhận dữ liệu + Trong mô hình đề xuất này, đã đưa ra một kỹ thuật sẽ được áp dụng nhiều trong thực tế, trong cuộc sống, do điều kiện tự nhiên rất khác nhau Nên việc chọn một trạm BS- Sink ở xa để thu nhận tín hiệu dữ liệu là một trường hợp rất bình thường Độ trễ: + Đưa ra một mô hình độ trễ cho giải thuật LEACH, được áp dụng tính toán độ trễ rất cụ thể từ... delay from Sensor-CH-BS Hình 4.10: Mô tả tổng độ trễ của từng vị trí các nút cảm biến bình thƣờng đến CHs và đến BS-SINK 4.8 Công cụ Mô phỏng thuật toán Phần mềm MATLAB 2012b (64 bit) để cài đặt thuật toán, mô phỏng thuật toán Phần mềm ORIGINPRO 8.5.1 để vẽ sơ đồ mô phỏng kết quả thuật toán 4.9 Kết luận chƣơng 4 27 - Về độ trễ: Đưa ra hướng đề xuất, sau đó mô phỏng, tính toán được độ trễ cho giải thuật... d0 = 86.1585 m 3.3.2 Thành phần của độ trễ dend-end = N ( dtrans + dprop + dproc + dqueue ) (3.5) Trong đó: dend-end (end-to-end delay) : Độ trễ đầu cuối đến đầu cuối N : Số liên kết (Số lượng Nút - 1) dtrans (transmission delay) : Độ trễ truyền tải dprop (propagation delay) : Độ trễ lan truyền dproc (processing delay) : Độ trễ xử lý dqueue (Queuing delay) : độ trễ hàng đợi Mỗi nút sẽ có các thành... một liên kết = L / R - Độ trễ lan truyền: o d = Chiều dài của liên kết vật lý o s = tốc độ lan truyền trong môi trường Vậy độ trễ lan truyền = d / s 3.3.3 Thuật toán Độ trễ cho các nút bình thường có chung Chủ cụm ∑ (3.6) Trong đó: : Độ trễ tại một chủ cụm ∑ của các nút thuộc vùng Chủ cụm quản lý trực tiếp Thuật toán: Vòng lặp for c=1:1:cluster-1 // Duyệt từng chủ cụm : Tổng độ trễ 13 disp(C(c).endtoend);... lặp for 3.3.4 Phân tích và áp dụng cho bài toán về tính toán độ trễ A R Mbps BS SINK SINK BS – SINK: Trạm gốc : Nút A đến trạm gốc 14 Hình 3.3: Mô tả về mô hình áp dụng tính toán độ trễ cho 1 bài toán cụ thể Theo mô hình trên có 2 nút chính đó là nút A và nút BS, được kết nối với nhau thông qua một liên kết có tốc độ truyền R Mbps Khoảng cách giữa 2 điểm này là m meters, tốc độ lan truyền liên kết này ... thuật cho mô hình đa chặng tìm hiểu nghiên cứu Đóng góp đề tài mô hình cân lƣợng độ trễ mạng cảm biến không dây Ứng dụng việc truyền tải liệu mô hình mạng cảm biến không dây, cân lượng độ trễ, nhằm... cứu Mục đích đề tài nghiên cứu mô hình cân lƣợng độ trễ mạng cảm biến không dây Mục tiêu chính: - Tìm hiểu mô hình cân tải độ trễ lượng mạng cảm biến không dây - Một số giải thuật kỹ thuật phân... để mô mô hình cân lượng độ trễ cho toàn mạng lưới - Cài đặt đánh giá, so sánh hiệu thuật toán có với thuật toán đề xuất cải tiến Phƣơng pháp nghiên cứu mô hình cân lƣợng độ trễ mạng cảm biến không