Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây qua kỹ thuật phân cụm

- CẢI THIỆN HIỆU NĂNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY QUA KỸ THUẬT PHÂN CỤM.
- CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY.
- 1.1 Giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây.
- 1.4 Các vấn đề liên quan đến hiệu quả năng lượng.
- CHƯƠNG 2: CÁC GIẢI PHÁP PHÂN CỤM TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY.
- 2.2 Các giao thức định tuyến hiệu quả năng lượng.
- 2.4.1 Phân cụm LEACH-GA.
- 2.4.2 Thuật toán phân cụm EAUCF.
- 2.4.3 Thuật toán phân cụm SOM.
- Hình 1.2: Một mô hình giám sát lưới điện bằng mạng cảm biến.
- Thuật toán phân cụm không đồng đều nhận biết năng lượng nhờ Fuzzy.
- ERA Energy-aware routing algorithm Thuật toán định tuyến nhận biết năng lượng.
- hierarchy Phân cấp cụm thích ứng năng lượng.
- PC Power Consumption Tiêu thụ năng lượng.
- SF Sensor Field Trường cảm biến.
- SN Sensor Núts Nút cảm biến.
- Giao thức mạng cảm biến sử dụng ngưỡng nhạy cảm.
- WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây.
- E elec Tiêu hao năng lượng để điều khiển hệ thống con vô tuyến E in Năng lượng ban đầu.
- E re Năng lượng dư.
- E av Năng lượng trung bình tại một vòng truyền dẫn.
- d Khoảng cách giữa các nút cảm biến.
- Mạng cảm biến không dây là hạ tầng then chốt của các giải pháp Internet ofThings (IoT).
- Việc nghiên cứu kỹ thuật phân cụm nhằm mong muốn rút ra được các kết luận hữu ích và cụ thể cho bài toán nâng cao hiệu năng mạng cảm biến không dây..
- Trên thực tế cho thấy, vấn đề phân cụm đều cho độ phức tạp bài toán thấp hơn trong thực tế hoạt động nhưng hiệu năng truyền thông bị suy giảm bới quá trình truyền thông khi tồn tại các lỗ hổng năng lượng.
- Kỹ thuật phân cụm không đều có thể tránh được các lỗ hổng năng lượng nhưng đặt ra rất nhiều biến số cần phải tối ưu nhằm giảm độ phức tạp trong tính toán..
- Một khảo sát đầy đủ về giải pháp phân cụm dưới góc độ các thiết bị mạng cảm biến công nghiệp đã được đưa ra trong [1].
- Tham số đánh giá chủ yếu của mạng cảm biến không dây thường liên quan tới năng lượng, được đánh giá qua thời gian sống của mạng.
- Các tham số hỗ trợ quyết định gồm năng lượng dư của nút cảm biến, khoảng cách tới đích và mật độ nút lân cận được biểu diễn thông qua tỷ lệ truyền phát lại gói tin.
- 4 - Kiến trúc mạng cảm biến và các ứng dụng;.
- Luận văn tập trung vào nghiên cứu các vấn đề liên quan tới đặc tính của mạng cảm biến không dây phân cấp, các kỹ thuật định tuyến bảo toàn năng lượng, các kỹ thuật phân cụm hiệu quả năng lượng và đề xuất giải pháp phân cụm..
- Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây.
- Chương này trình bày tổng quan về mạng cảm biến không dây trên các khía cạnh kiến trúc, công nghệ và ứng dụng..
- Chương 2: Các giải pháp phân cụm trong mạng cảm biến không dây.
- Chương này tập trung vào phân tích các chiến lược phân cụm trong mạng cảm biến không dây kết hợp với các giao thức định tuyến hỗ trợ kéo dài thời gian sống của mạng..
- Mạng cảm biến không dây (WSN) là một trong các kiểu mạng phổ biến trong thời đại vạn vật kết nối Internet (IoT) đang phát triển hiện nay.
- Các nút cảm biến có thể hoạt động trong môi trường dày đặc với tốc độ xử lý cao.
- Nhằm vào các yêu cầu thiết kẻ này một số các chiến lược định tuyến trong mạng cảm biến không dây đã được đưa ra..
- Trong loại giao thức này, các nút mạng tự tổ chức thành các cụm.Trong đó một nút có mức năng lượng cao hơn các nút khác đóng vai trò là các nút chủ (cluster head).
- Việc tạo thành các cụm có khả năng làm giảm thiểu năng lượng và mở rộng thời gian sống của mạng..
- Trong mục này sẽ đề cập tới các lĩnh vực ứng dụng phổ biến của mạng cảm biến không dây..
- Trong gia đình, lĩnh vực nhà thông minh, các nút cảm biến được đặt ở các phòng để đo nhiệt độ.
- Hình 2.2: Một mô hình giám sát lưới điện bằng mạng cảm biến.
- Trong các vấn đề thiết kế một mạng cảm biến các nhà thiết kế luôn quan tâm đến hiệu quả của năng lượng trong mạng cảm biến.
- Cụ thể có thể xét đến một số các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tiêu thụ của nút cảm biến như:.
- Một mạng cảm biến thường được triển khai trong một diện tích lớn và dày đặc các nút cảm biến.
- Việc định tuyến sẽ giúp cho các nút có thể định hình được tuyến đường ngắn nhất đến nút đích và giúp cho nút có thể tối thiểu năng lượng sử dụng của mình.
- Các nút cảm biến được thiết kế với khả năng hạn chế về chưc năng nên việc nút phải truyền tải một số.
- Ngoài ra còn rất nhiều các yếu tố tác động trực tiếp đến hiệu năng sử dụng năng lượng của nút như mục đích sử dụng của mạng.
- Mục đích chính của việc thiết kế một giao thức định tuyến cân bằng và hiệu quả năng lượng cho WSNs là để kéo dài thời gian sống của mạng, từ đó duy trì được chức năng của mạng phục vụ cho những yêu cầu của người dung.
- Năng lượng của nút.
- Thời gian sống của một nút được xác định bằng cách tính mức năng lượng của nó sau một số vòng truyền nhận dữ liệu.
- Mức năng lượng của một nút sau mỗi vòng được gọi là năng lượng dư.
- Ta có năng lượng của một nút ban đầu là E in , năng lượng dư được tính như sau:.
- Từ phương trình trên, khi E re = 0 J , nút cảm biến đã cạn kiệt năng lượng hoàn toàn và không thể tham gia vào bất kỳ hoạt động nào của mạng nữa.
- Do đó, mức năng lượng của một nút là một yếu tố quan trọng cần được tính tới để duy trì chức năng của mạng trong một khoảng thời gian dài.
- Năng lượng của nút suy giảm càng ít, thời gian sống của mạng sẽ.
- Thực tế, E re là một biến quan trọng được sử dụng trong hầu hết những giao thức định tuyến cân bằng năng lượng được nghiên cứu..
- Khoảng cách giữa trạm gốc và các nút.
- Về mặt lý tưởng, ta sẽ muốn các nút được đặt gần trạm gốc nhất có thể để giảm mức tiêu thụ năng lượng của các nút trong việc truyền bản tin giữa các nút hay giữa nút với trạm gốc, từ đó cải thiện được hiệu quả năng lượng của mạng và nâng cao thời gian sống của mạng.
- Nhằm tương thích với các ứng dụng mạng lớn khi phương tiện truyền thông của mạng cảm biến có khoảng cách truyền dẫn nhỏ, các kỹ thuật phân cụm được tiến hành nhằm cải thiện hiệu năng và tính kết nối của mạng cảm biến không dây.
- Các nút trong cụm kết nối tới một chủ cụm và các chủ cụm được chọn theo các tiêu chí đặc trưng sau: (1) năng lượng lớn để xử lý nhiều hơn so với các nút trong cụm.
- (2) các nút chủ cụm phải bao phủ toàn bộ các nút cảm biến.
- Các nút cảm biến được triển khai phân tán trên toàn khu vực giám sát.
- Phân phối tải năng lượng đồng đều.
- Các nút cảm biến là các thiết bị hạn chế năng lượng.
- Như vậy phân bổ nhiệm vụ cho các nút này trở thành một quyết định quan trọng ảnh hưởng tới tiêu thụ năng lượng.
- 2.2 Các giao thức định tuyến hiệu quả năng lượng 2.2.1 Giao thức LEACH.
- Giao thức phân cụm thích ứng năng lượng thấp (LEACH) là một giao thức phân cụm thích ứng và tự tổ chức, sử dụng tính ngẫu nhiên để phân bổ tải giữa các nút cảm biến trong mạng.
- Việc này sẽ tối thiểu hóa năng lượng truyền tin tới đích bằng việc trải đều tải cho tất cả các nút trong mạng..
- Giao thức mạng cảm biến hiệu quả năng lượng dựa trên ngưỡng nhạy TEEN (Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network protocol) sử dụng mô hình cụm phân cấp bao gồm một trạm gốc và các nút cảm biến.
- Tại thời điểm thiết lập, các nút cảm biến có năng lượng và các thuộc tính giống nhau.
- Trạm gốc được cung cấp năng lượng không giới hạn để vận chuyển dữ liệu từ các nút.
- Tuy nhiên, các nút không thể phản hồi trực tiếp với trạm gốc vì năng lượng giới hạn của chúng, sẽ dễ gây ra mất cân bằng kết nối trong mạng.
- Giao thức cụm phân cấp hiệu quả năng lượng EEHC (Energy Efficient Hierarchical Clustering) là giao thức định tuyến trong WSN sử dụng phân cụm ngẫu nhiên.
- Các chiến lược phân cụm tối ưu hóa hướng đến các thuật toán thông minh giúp cải thiện tuổi thọ của mạng cảm biến, đồng thời giúp chúng tiết kiệm năng lượng.
- Khi trạm cơ sở nhận được thông báo từ tất cả các nút, sau đó nó sẽ tìm kiếm xác suất tối ưu của các nút là các đầu cụm thông qua thuật toán di truyền bằng cách giảm thiểu tổng mức tiêu thụ năng lượng cần thiết để hoàn thành một vòng trong trường cảm biến.
- quả tạo ra mức tiêu thụ năng lượng tối ưu cho các mạng cảm biến không dây và dẫn đến việc cải thiện thời gian sống cho mạng..
- Thuật toán phân cụm không cân bằng năng lượng EAUCF (Energy-Aware Unequal Clustering with Fuzzy).
- Vấn đề phân cụm trong mạng cảm biến không dây là một vấn đề quan trọng do sự ảnh hưởng tới hiệu năng toàn mạng.
- Hệ thống vô tuyến của các nút thường có thể được tắt cho đến khi tới lượt truyền của nó, điều này giúp tối thiểu năng lượng mất mát.
- Sau một khoảng thời gian nhất định, cấu hình phân cụm lại tự thay đổi, đảm bảo sự cân bằng tải và hiệu quả năng lượng giữa các nút..
- Trạm gốc thường được cung cấp năng lượng đủ lớn để có thể nhận dữ liệu từ các CH nên ta không cần xét đến năng lượng của BS trong thuật toán này..
- Năng lượng sử dụng trong mạng dựa trên các tham số như khoảng cách giữa các nút, không gian tự do(𝑓 𝑠 ) và kênh đa đường(𝑚 𝑝.
- Năng lượng tiêu hao trong quá trình truyền phát dữ liệu của l bits giữa nút𝑆 𝑖 , 𝑆 𝑗 với khoảng cách 𝐷𝑖𝑠𝑡 (𝑖,𝑗) được cho bởi công thức:.
- Năng lượng tiêu hao trong việc nhận l bit được cho bởi công thức:.
- o Mức năng lượng(Energy level): Tham số này biểu thị cho tỷ lệ giữa năng lượng còn dư với mức năng lượng ban đầu của nút đó.
- Để xác định mức độ quan trọng của node cảm biến trong mối quan hệ với nút trạm trung tâm, ta sử dụng biến mức năng lượng còn dư của nút và khoảng cách tới BS.
- Hình 3.10: Biến đầu vào biểu diễn mức năng lượng dư của nút.
- Hình 3.10 biểu diễn tập mờ của biến đầu vào “mức năng lượng”.
- Rule Năng lượng dư Khoảng cách tới BS Fuzzy fitness1.
- Bản tin này sẽ bao gồm thông tin của nút CH như năng lượng còn lại, vị trí, khoảng cách đến BS.
- o Năng lượng dư của CH: Một nút bình thường ưu tiên chọn nút có nhiều năng lượng còn lại hơn các CH khác..
- Mô hình đánh giá hiệu quả năng lượng của WSNs được xây dựng trên matlab với các thông số cấu hình nút và kịch bản như bảng 3.4 dưới đây..
- Với các mức năng lượng trung bình, hàm mờ ứng dụng là hàm tam giác.
- Với mức năng lượng cao, hàm thành viên mờ ứng dụng là hàm hình thang..
- Hình 3.8 cho thấy giải pháp phân cụm không đồng đều đem lại sự cân bằng năng lượng tốt hơn trong cả hai trường hợp..
- Với mục tiêu đề xuất giải pháp phân cụm không đều nhằm tránh các lỗ hổng năng lượng tại các vùng gần nút trạm cơ sở (SINK), luận văn đã trình bày các vấn đề lý thuyết và kèm với đó là đề xuất phân cụm dựa trên logic mờ được kiểm chứng thông qua mô phỏng số.
- Mạng cảm biến không dây đóng vai trò quan trọng trong hạ tầng giải pháp Internet vạn vật.
- Vì vậy, việc đảm bảo năng lượng đồng đều, kéo dài thời gian sống của mạng là một vấn đề quan trọng trong hiệu năng mạng cảm biến không dây..
- Các giải pháp phân cụm đều đem lại hiệu quả tính toán nhanh nhưng gây ra các lỗ hổng năng lượng nhất định trong mạng khi tồn tại ít nút SINK.
- Sử dụng phương pháp logic suy luận mờ có thể áp dung vào bài toán phân cụm không đều nhằm giảm độ phức tạp tính toán mà vẫn tránh được lỗ hổng năng lượng.

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt