HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

HỒ HỮU TRUNG

TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ
TRONG CÁC ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY YÊU CẦU THỜI GIAN TỚI HẠN

Chuyên Ngành: HỆ THỐNG THÔNG TIN
Mã số:

60.48.01.04

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.Hồ Chí Minh – 2016


Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Trần Công Hùng
Phản biện 1: .....................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
Phản biện 2: .....................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện
Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Vào lúc: …… giờ …… ngày …… tháng …… năm ……

Hai vấn đề quan trọng cơ bản được đề cập là giảm thiểu tiêu thụ năng lượng và giảm thời
gian chậm trễ trong truyền dữ liệu để tối ưu hóa tuổi thọ mạng. Kỹ thuật Clustering [1] đã
nổi lên như một lựa chọn phổ biến để đạt được hiệu quả năng lượng và khả năng mở rộng
trong các mạng cảm biến quy mô lớn [2-4]. Sử dụng phương pháp Clustering, cảm biến có
thể được quản lý tại địa phương bằng một cụm (Cluster), một CH để quản lý các cụm và
chịu trách nhiệm về thông tin liên lạc giữa các cụm và các trạm cơ sở. Clustering cung cấp
một khuôn khổ thuận lợi cho việc quản lý tài nguyên. Clustering có thể hỗ trợ nhiều tính
năng quan trọng trong một cụm thiết bị, chẳng hạn như truy cập kênh cho các thành viên


2
trong cụm và kiểm soát quyền lực, định tuyến và tách mã để tránh nhiễu liên cụm. Hơn nữa,
nó giúp phân phối trách nhiệm quản lý từ trạm gốc đến đầu cụm các thiết bị [5].
Trong những năm gần đây, có rất nhiều các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến
không dây được sử dụng mà một vài trong số đó đã xem xét việc các ứng dụng mạng yêu
cầu thời gian tới hạn trong việc truyền dữ liệu là quan trọng [6-11]. Trong mạng cảm biến
không dây dữ liệu tập hợp từ các dữ liệu có liên quan (hoặc từ nhiều dữ liệu tương ứng) sẽ
làm giảm một lượng lớn lưu lượng dữ liệu trên mạng, tránh quá tải thông tin, tạo ra một tín
hiệu chính xác hơn và đòi hỏi ít năng lượng hơn so với gửi tất cả các dữ liệu chưa qua xử lý
bên trong mạng.
Đề tài “Tiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong các ứng dụng mạng cảm biến không dây yêu
cầu thời gian tới hạn” với mục đích giảm khoảng cách giữa CH và các nút thành viên trong
cụm để tiết kiệm năng lượng tiêu thụ và kéo dài thời gian sống cho mạng cảm biến vô
tuyến.
Nội dung đề tài gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về WSN.
Chương 2: Các nghiên cứu tiết kiệm năng lượng bằng phương pháp phân cụm.
Chương 3: Phương pháp định tuyến tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến.
Chương 4: Mô phỏng và đánh giá.


1.4.3 Kết nối
1.4.4 Cảm biến di động
1.5 Kiến trúc giao thức mạng WSN
Như các mạng khác, hoạt động của WSN cũng được xây dựng trên mô hình kiến trúc phân
lớp (lớp ứng dụng, lớp truyền tải, lớp mạng, lớp liên kết dữ liệu, lớp vật lý). Ngoài ra, còn có


4
các phần quản lý công suất, quản lý di động và quản lý tác vụ sẽ giám sát việc sử dụng công
suất, sự di chuyển và thực hiện nhiệm vụ giữa các nút cảm biến hoạt động tốt hơn. Kiến trúc
này được mô tả như hình 1.6

Hình 1.6: Mô hình kiến trúc phân lớp của WSN

1.5.1 Lớp ứng dụng
1.5.2 Lớp giao vận
1.5.3 Lớp mạng
1.5.4 Lớp liên kết dữ liệu
1.5.5 Lớp vật lý
1.5.6 Miền quản lý chức năng, quản lý sự di chuyển, quản lý công suất
1.6 Thách thức về tiết kiệm năng lượng của mạng cảm biến không dây
1.7 Kết luận chương 1
Mạng cảm biến ngày càng phát triển và được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống. Tuy nhiên
WSN vẫn còn một số hạn chế về nguồn năng lượng, vì thế các nhà nghiên cứu đã và đang tìm
hiểu về các giải thuật và giao thức để giúp tiết kiệm nguồn năng lượng trong mạng cảm biến
tốt hơn.


5


nút gửi dữ liệu tới nút chủ và nút chủ tổng hợp dữ liệu rồi gửi về trạm gốc), nó chỉ khác
LEACH ở pha thiết lập cụm.

2.3 Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems (PEGASIS)
2.3.1 Tổng quan về giao thức PEGASIS [7]
PEGASIS là họ giao thức định tuyến và tập hợp thông tin cho mạng WSN. PEGASIS thực
hiện 2 nhiệm vụ:
 Kéo dài thời gian sống cho mạng.
 Đồng bộ năng luợng tại tất cả các nút mạng và giảm độ trễ các gói dữ liệu.
PEGASIS áp dụng trên mô hình mạng bao gồm tập hợp các nút được phân bố đồng nhất
trên một vùng địa lý. Trong đó mỗi nút đều biết được thông tin về vị trí các nút khác trong
toàn mạng. Bên cạnh đó chúng cũng có khả năng điều khiển công suất và bao phủ một vùng
tùy ý. Các nút này cũng được trang bị bộ thu phát sóng sử dụng công nghệ CDMA.
Trách nhiệm của các nút này là thu lượm và truyền dữ liệu đến các trạm gốc. Mục đích để
phát triển một cấu trúc định tuyến và một sơ đồ tập trung dữ liệu để giảm thiểu sự tiêu thụ
công suất và truyền dữ liệu được tập trung đến trạm gốc với trễ truyền dẫn nhỏ nhất trong khi
vẫn cân bằng sự tiêu thụ công suất giữa các nút trong mạng.
Dùng PEGASIS sẽ giải quyết được vấn đề về mào đầu gây ra bởi việc hình thành các cụm
động trong LEACH, giảm được số lần truyền và nhận bằng việc tập hợp dữ liệu. Tuy nhiên
PEGASIS lại có độ trễ đường truyền lớn đối với các nút ở xa trong chuỗi. Hơn nữa ở nút
chính có thể xảy ra hiện tượng thắt cổ chai.

2.3.2 Nhược điểm của giao thức PEGASIS
2.4 Threshold-sensitive Energy Efficeent sensor Network protocol (TEEN)


7
TEEN [8] là giao thức hiệu quả năng lượng cảm nhận mức ngưỡng được đưa ra cho các
ứng dụng phụ thuộc thời gian. Trong giao thức này các nút cảm biến liên tục cảm nhận môi
trường, nhưng gửi dữ liệu không thường xuyên. Nút chủ cụm gửi cho các thành viên trong


8
thụ năng lượng, tăng tổng số các dữ liệu nhận được ở trạm gốc, giảm sự chậm trễ truyền dữ
liệu theo thời gian và thông tin liên lạc quan trọng nhằm giảm chi phí chung.

2.6 Kết luận chương 2
Phần này đề tài đã nêu các cơ sở lý thuyết toán học và các thuật toán được áp dụng
để tính toán khả năng tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến bên cạnh đó cũng đã đề
cập đến các công trình mới nghiên cứu trong khoảng thời gian gần đây, bên cạnh những ưu
điểm thì vẫn còn tồn tại những khuyết điểm chưa thể khắc phục chính điều này đề tài sẽ tập
trung nghiên cứu và đề nghị một phương án đề xuất mới dựa trên cái cũ nhằm đem lại một
kết quả tốt hơn.


9

Chương 3 – PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG
LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN
3.1 Giới thiệu
Mặc dù mạng cảm biến có khá nhiều điểm tương đồng so với các mạng ad-hoc có dây và
không dây nhưng chúng cũng biểu lộ một số các đặc tính duy nhất mà tạo cho chúng tồn tại
thành mạng riêng. Chính những đặc tính này làm cho sự tập trung mũi nhọn vào yêu cầu thiết
kế các giao thức định tuyến mới mà khác xa so với các giao thức định tuyến trong các mạng
adhoc có dây và không dây. Việc nhằm vào đặc tính này đã đưa ra một tập các thách thức lớn
và riêng đối với WSN.

3.2 Thách thức trong vấn đề định tuyến
3.3 Các vấn đề về thiết kế giao thức định tuyến
Mục đích chính của mạng cảm biến là truyền thông dữ liệu trong mạng trong khi cố gắng
kéo dài thời gian sống của mạng và ngăn chặn việc giảm các kết nối bằng cách đưa ra những

(3.7)

𝑛
𝑘 + 𝑑𝑜 ∗ 𝑞 ∗ log ( )
𝑟

Khi đó xác xuất nút normal được bầu làm chủ cụm là như sau:
𝑝𝑛
1
𝑇(𝑆𝑝𝑛 ) = {1 − 𝑝𝑛 ∗ (𝑟𝑚𝑜𝑑 )
𝑝𝑛
0

𝑖𝑓 𝑆𝑝𝑛 ∈ 𝐺

(3.9)

Trường hợp 2 xác suất nút chủ cụm được bầu bởi nút advance với k bit dữ liệu tôi gọi đó
là pa.
𝑝𝑎 =

𝑝
𝑛
𝑚(𝑘 + 𝑑𝑜 ∗ 𝑞 ∗ log ( ))
𝑟

(3.9)

Khi đó xác xuất nút advance được bầu làm chủ cụm là như sau:
𝑝𝑎

𝑑𝑜 = √

𝐸𝑓𝑠
𝐸𝑚𝑝

Ngoài ra các giá trị còn lại là các số có nghĩa không phụ thuộc vào đơn vị (sẽ có trong bảng
mô tả thông số mô phỏng), trong quá trình tạo ra công thức 𝑝𝑛 và 𝑝𝑎 tôi muốn chú trọng vào
việc gia tăng kích thước mạng cũng như gia tăng số lượng nút cảm biến trong khu vực thực
hiện, nên các công thức của tôi đưa ra phụ thuộc nhiều vào số nút cảm biến (n) và số vòng
thực hiện (r).
Ngoài ra, để quá trình hình thành cụm được nhanh hơn và giảm thiểu dữ liệu truyền một
cách lãng phí tới BS trong thuật toán này tôi còn thiết lập các giá trị ngưỡng nó được dành
cho thuộc tính cảm nhận, để phát dữ liệu một cách tốt hơn.
Ngưỡng cứng (Ht): Giá trị ngưỡng cứng là để giảm sự truyền dẫn bằng cách chỉ cho phép
nút truyền khi thuộc tính cảm nhận trong một phạm vi thích hợp, các nút cảm ứng giá trị này
phải bật máy phát và báo cáo cho nút chủ cụm của mình.
Ngưỡng mềm (St): Ngưỡng mềm để giảm thêm nữa số lần truyền dẫn khi có sự thay đổi
rất ít của thuộc tính cần đo (khi sự thay đổi nhỏ hơn ngưỡng mềm thì không truyền dữ liệu).
Các nút cảm nhận môi trường liên tục. Lần đầu tiên một tham số từ các thiết lập thuộc tính
đạt giá trị ngưỡng cứng của nó, thiết bị chuyển mạch trên máy phát của các nút được bật và
gửi dữ liệu cảm nhận. Giá trị cảm nhận được lưu trữ trong một biến nội bộ trong các nút, gọi
là giá trị cảm nhận (SV). Từ những thay đổi này, tôi gọi giao thức mà tôi đề xuất là giao thức
dựa trên thuật toán LEACH cải tiến.


12

3.6 Kết luận chương 3
Trong chương này tôi đã trình bày tổng quan về định tuyến trong mạng cảm biến đặc biệt
trên khía cạnh tiết kiệm năng lượng theo phương pháp phân cụm và các thuật toán cho đến sơ

𝐸𝑇𝑥 (𝑘, 𝑑 ) = {
𝑘𝐸𝑒𝑙𝑒𝑐 + 𝑘𝐸𝑚𝑝 𝑑 4 , 𝑑 ≥ 𝑑𝑜
Trong đó:
k: số bits được truyền
Eelec : Số năng lượng tiêu thụ để truyền hoặc nhận dữ liệu.
εmp : Hệ số khuếch đại truyền năng lượng.
εfs : Tổn thất năng lượng trong không gian (free)

(4.1)


14
𝑑𝑜: Khoảng cách từ BS tới nút nhận, εmp hoặc εfs phụ thuộc vào 𝑑𝑜.

𝑑𝑜 = √

𝜀𝑓𝑠
𝜀𝑚𝑝

(4.2)

Để nhận k bit dữ liệu năng lượng tiêu thụ ERx là:
𝐸𝑅𝑥 = 𝑘 ∗ 𝐸𝑒𝑙𝑒𝑐

(4.3)

Năng lượng điện tử( Eelec ), phụ thuộc vào các yếu tố như việc mã hóa kỹ thuật số, điều
chế, lọc và sự lan rộng của tín hiệu, trong khi năng lượng khuếch đại, 𝐸𝑓𝑠 𝑑 2 hoặc 𝐸𝑚𝑝 𝑑 4 , phụ
thuộc vào khoảng cách với máy thu và tỷ lệ bit lỗi chấp nhận được.
Từ phương trình. (4.3), ta có thể thấy rằng nhận dữ liệu cũng là một thủ tục tốn chi phí cao

Mô tả

Thông số

Kích thước mạng lưới

100m*100m

Tổng số nút (n)

300

Tỉ lệ % nút chủ (p)

0.2

Tọa độ BS (XBS, YBS)

(150,50)

Gói dữ liệu (k)

4000

Năng lượng khởi tạo (E0)

0.1J

Eelec


Thể hiện các nút Advanced
Thể hiện các nút Normal được chọn làm CH
Thể hiện các nút Advanced được chọn làm CH


16

(a)

(b)
Hình 4.1: Kết quả phân vùng mạng (a) LEACH, (b) LEACH CAI TIEN

Hình 4.2 thể hiện năng lượng trung bình của mỗi nút sau mỗi vòng. Nhờ vào cách thức
phân cụm tối ưu dẫn đến khoảng cách giữa CH và các nút trong cụm ngắn nên năng lượng
tiêu thụ các nút giảm đáng kể.


17

Hình 4.2: Năng lượng trung bình của mỗi nút sau mỗi vòng

Hình 4.3 thể hiện mức năng lượng tiêu tán của thuật toán, rõ ràng là thuật toán cải tiến sử
dụng ít năng lượng hơn so với LEACH. Việc giảm thiểu năng lượng của thuật toán cải tiến
chủ yếu dựa vào việc lựa chọn nút chủ cụm một cách có chọn lọc và khoảng cách truyền dữ
liệu được giảm thiểu.

Hình 4.3: Năng lượng tiêu tán.


18

4.4 Kết luận và hướng phát triển.
Phạm vi ứng dụng của WSN là rất lớn, có thể thích ứng linh hoạt, xử lý và khắc phục sự
cố khi xảy ra hư hỏng, có chi phí triển khai mạng thấp…Tuy nhiên việc thiết kế một WSN
hoạt động tốt, mềm dẻo, dễ dàng triển khai vào các ứng dụng thực tế gặp rất nhiều khó khăn
bởi nhiều nguyên nhân, trong đó có năng lượng của các nút bị giới hạn và khó nạp lại là vấn
đề cấp bách. Do đó nếu sử dụng nguồn năng lượng sẵn có trên các nút không hiệu quả sẽ làm
cho quá trình truyền thông bị gián đoạn, mạng trở nên rời rạc.
Trong đề tài này, tôi đề nghị một cách tiếp cận mới bằng cách kết hợp phương pháp lựa
chọn xác suất nút chủ cụm cho mạng với phương pháp mức ngưỡng để giảm giám sát quá
trình truyền dữ liệu của các nút nhằm giảm thiểu khoảng cách giữa các nút không phải cụm
đầu với cụm đầu của nó trong cụm. Kết quả mô phỏng cho thấy giao thức đề xuất của tôi có
mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn và có thời gian sống của toàn mạng lâu hơn so với giao
thức LEACH. Hơn nữa, giao thức đề xuất phân cụm tốt hơn bằng cách phân bổ đồng đều chủ
cụm trên toàn mạng cảm biến.
Dựa trên kết quả nghiên cứu trong đề tài này, tôi cùng đồng nghiệp là thầy PGS.TS. Trần
Công Hùng viết bài báo khoa học có tựa đề “Energy Savings In Applications For Wireless
Sensor Networks Time Critical Requirements” gửi đến tạp chí IJCNC (The International
Journal of Computer Networks & Communications) đã được accept và đăng vào ngày
30/07/2016, ISSN: 0974-9322.
Link: />Trong tương lai, hướng phát triển của đề tài là thực hiện cải tiến thuật toán tăng hiệu năng
hoạt động trong mạng cảm biến, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu thời gian truyền
dữ liệu. So sánh với các thuật toán khác nhằm tối ưu cải tiến. Cài đặt các mã nhúng mới lên
các nút (sensor) thật để đưa vào thực tế.