Tiết kiệm năng lượng dựa trên kỹ thuật phân cụm cho Mobile Sink trong mạng cảm biến không dây

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NGUYỄN HUỲNH HẢI VIỄN

TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG

DỰA TRÊN KỸ THUẬT PHÂN CỤM CHO MOBILE SINK

TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

TP. Hồ Chí Minh, Năm 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NGUYỄN HUỲNH HẢI VIỄN

TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG

DỰA TRÊN KỸ THUẬT PHÂN CỤM CHO MOBILE SINK

TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Chuyên ngành : Khoa học máy tính

Mã số chuyên ngành : 60480101

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Người hướng dẫn khoa học:

1. PGS.TS TRẦN CÔNG HÙNG

TP. Hồ Chí Minh, Năm 2019

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan rằng luận văn “Tiết kiệm năng lượng dựa trên kỹ thuật phân

cụm cho Mobile Sink trong mạng cảm biến không dây” là bài nghiên cứu của chính

tôi.

Ngoại trừ những tài liệu tham khảo được trích dẫn trong luận văn này, tôi cam

đoan rằng toàn phần hay những phần nhỏ của luận văn này chưa từng được công bố

hoặc được sử dụng để nhận bằng cấp ở những nơi khác.

Không có sản phẩm/nghiên cứu nào của người khác được sử dụng trong luận

văn này mà không được trích dẫn theo đúng quy định

Luận văn này chưa bao giờ được nộp để nhận bất kỳ bằng cấp nào tại các

trường đại học hoặc cơ sở đào tạo khác.

Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2019

Nguyễn Huỳnh Hải Viễn

ii

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn thạc sĩ, ngoài

những cố gắng nỗ lực của bản thân, em đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu

của quý thầy cô, cùng với sự động viên khích lệ và ủng hộ của đồng nghiệp, bạn bè

và gia đình. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc em xin được gửi lời cảm ơn chân

thành tới:

Ban Giám Hiệu và tất cả các thầy cô giáo của Trường Đại học Mở Thành phố

Hồ Chí Minh đã giảng dạy và dìu dắt em trong trong suốt quá trình học tập tại trường.

Xin gửi lời cảm ơn trân trọng nhất tới PGS.TS Trần Công Hùng, người đã trực

tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo, chia sẻ kiến thức, tài liệu, tạo mọi điều kiện thuận

lợi và định hướng cho em trong suốt quá trình thực hiện luận văn.

Bên cạnh đó, em cũng đã nhận được rất nhiều sự hướng dẫn, hỗ trợ tận tình từ

ThS. Phan Thị Thể và các đồng nghiệp tại Trường Đại học Mở TP.HCM. Xin gửi lời

tri ân đến tất cả các thầy và các anh chị.

Tuy nhiên, do thời gian hạn hẹp, mặc dù đã nỗ lực hết sức mình, nhưng chắc

rằng luận văn khó tránh khỏi thiếu sót. Em rất mong nhận được sự thông cảm và chỉ

bảo tận tình của quý thầy cô và các anh chị.

Em xin chân thành cảm ơn!

iii

TÓM TẮT

Gần đây với sự phát triển của công nghệ giao tiếp không dây, mạng cảm biến

không dây đã nhận được sự quan tâm lớn bởi các ứng dụng rộng rãi như trong giám

sát môi trường, giao thông vận tải, ngăn ngừa thảm họa thiên nhiên hay an ninh. Mạng

cảm biến không dây bao gồm nhiều nút cảm biến với khả năng thu thập và chuyển

tiếp dữ liệu. Các nút cảm biến này hoạt động trong một môi trường rộng lớn với

nguồn năng lượng pin hạn chế và được triển khai ngẫu nhiên. Các nghiên cứu đều chỉ

ra rằng thuật toán định tuyến phân cụm là một phương pháp tiết kiệm năng lượng để

xử lý các vấn đề cấu trúc liên kết và kiểm soát tiêu thụ năng lượng trong mạng cảm

biến.

Hiệu quả năng lượng và cân bằng năng lượng là các vấn đề nghiên cứu quan

trọng trong việc thiết kế giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây. Để thu

thập thông tin hiệu quả và tiết kiệm năng lượng, thay vì các nút cảm biết truyền dữ

liệu đa chặng trên quãng đường dài về trạm gốc để xử lý dữ liệu thì mỗi nút cảm biến

sẽ truyền dữ liệu đến nút trưởng cụm thuộc cụm của nó. Tuy nhiên, trong quá trình

truyền dữ liệu giữa các nút trưởng cụm đến trạm gốc, các nút trưởng cụm ở gần trạm

gốc sẽ tiêu hao nhiều năng lượng hơn do phải nhận, tổng hợp và xử lý dữ liệu. Điều

này ảnh hưởng đến sự cân bằng tải cho toàn bộ mạng, do đó tôi đề xuất một thuật

toán phân cụm dựa trên phương pháp tiếp cận mờ. Trong quá trình bầu cử nút trưởng

cụm, ngoài năng lượng dư thừa của nút được sử dụng phổ biến trong các thuật toán,

tôi tính khoảng cách cục bộ của nó và khoảng cách từ nút đó đến trạm gốc để xem

xét như là các tham số đầu vào cho hệ thống suy luận mờ. Trong đề xuất của tôi, mỗi

nút cảm biến tính toán xác suất để trở thành nút trưởng cụm với sự hỗ trợ của hệ thống

suy luận mờ. Các kết quả thử nghiệm cho thấy thuật toán đề xuất của tôi tốt hơn so

với một số thuật toán hiện tại về các khía cạnh như truyền dữ liệu, tiêu thụ năng lượng

và tuổi thọ của mạng.

iv

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... i

LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ii

TÓM TẮT ............................................................................................................ iii

MỤC LỤC ............................................................................................................. iv

DANH MỤC HÌNH .............................................................................................. vi

DANH MỤC BẢNG ...........................................................................................viii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................... ix

MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ................ 3

1.1. Giới thiệu ................................................................................................... 3

1.2. Cấu trúc kết nối mạng cảm biến không dây ................................................ 4

1.3. Cấu trúc nút cảm biến ................................................................................. 9

1.4. Cấu trúc giao tiếp của mạng cảm biến không dây. .................................... 10

1.5. Các giao thức định tuyến và phân loại ...................................................... 13

1.6. Phân loại và ứng dụng của mạng cảm biến không dây .............................. 14

1.6.1. Phân loại ......................................................................................... 14

1.6.2. Ứng dụng ....................................................................................... 16

CHƯƠNG 2: CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN .............................................. 22

2.1. Các giao thức và thuật toán tiết kiệm năng lượng phổ biến ....................... 22

2.2. Tổng quan về logic mờ ............................................................................. 29

2.2.1. Bộ làm mờ (Fuzzifications) ............................................................ 30

2.2.2. Hệ thống suy luận (Inference Engine) ............................................. 31

v

2.2.3. Giải mờ (Defuzzification) ............................................................... 32

2.3. Hoạt động của hệ thống mờ ...................................................................... 33

2.4. Sử dụng logic mờ trong mạng cảm biến không dây .................................. 33

2.5. Vấn đề tiêu hao năng lượng trong mạng cảm biến không dây ................... 34

CHƯƠNG 3: CẢI TIẾN MÔ HÌNH PHÂN CỤM MỜ ..................................... 36

3.1. Lựa chọn nút trưởng cụm và kỹ thuật phân cụm dựa trên mô hình mờ ...... 36

3.2. Mô hình mạng cảm biến ........................................................................... 38

3.3. Mô hình tiêu hao năng lượng .................................................................... 39

3.4. Hoạt động của mô hình cải tiến ................................................................ 41

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ...................................................... 51

4.1. Mô hình và tham số mô phỏng ................................................................. 51

4.2. Phân tích và đánh giá ................................................................................ 52

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................... 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 56