Luận văn thạc sĩ về cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây qua kỹ thuật phân cụm

• Tác giả: Kiều Quý
• Người hướng dẫn: TS. Hoàng Trọng Minh
• Trường học: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
• Đề tài: Cải Thiện Hiệu Năng Mạng Cảm Biến Không Dây Qua Phân Cụm
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
• 1.1. Giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây
• 1.2. Các giao thức truyền dẫn và định tuyến trong mạng WSN
• 1.2.1. Giao thức định tuyến nút trung tâm
• 1.2.2. Giao thức định tuyến dữ liệu trung tâm
• 1.3. Một số ứng dụng điển hình
• 1.3.1. Trong quân sự
• 1.3.2. Trong điều trị và y học
• 1.3.3. Trong gia đình
• 1.3.4. Trong công nghiệp và nông nghiệp
• 1.4. Ứng dụng WSN trong điện lưới thông minh
• 1.5. Ứng dụng WSN trong giao thông thông minh
• 1.6. Các vấn đề liên quan đến hiệu quả năng lượng
• 1.7. Kết luận chương
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC GIẢI PHÁP PHÂN CỤM TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
• 2.1. Giới thiệu chung về các kỹ thuật phân cụm
• 2.2. Các đặc trưng kiến trúc cụm
• 2.3. Các đặc tính hiệu năng cụm
• 2.4. Các giao thức định tuyến hiệu quả năng lượng
• 2.4.1. Giao thức LEACH
• 2.4.2. Giao thức PEGASIS
• 2.4.3. Giao thức TEEN
• 2.4.4. Giao thức mạng lai ghép APTEEN
• 2.4.5. Giao thức EEHC
• 2.5. Tiếp cận gần đúng trong bài toán phân cụm
• 2.5.1. Sử dụng logic mờ
• 2.5.2. Sử dụng thuật toán di truyền
• 2.5.3. Sử dụng mạng neural
• 2.5.4. Tối ưu bầy đàn
• 2.6. Một số giải pháp phân cụm dựa trên tiếp cận gần đúng
• 2.6.1. Phân cụm LEACH-GA
• 2.6.2. Thuật toán phân cụm EAUCF
• 2.6.3. Thuật toán phân cụm SOM
• 2.7. Kết luận chương
• 3. CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP PHÂN CỤM CẢI THIỆN HIỆU NĂNG WSN DỰA TRÊN LOGIC MỜ
• 3.1. Tóm lược hoạt động bầu chủ cụm của LEACH
• 3.2. Các vấn đề cơ bản của logic mờ
• 3.2.1. Một số khái niệm
• 3.2.2. Tính chất của tập mờ
• 3.2.3. Lý luận trong tập mờ
• 3.2.4. Sơ đồ tổng quan hệ thống suy luận mờ
• 3.3. Ứng dụng hệ thống suy luận mờ trong phân cụm
• 3.3.1. Các giả thiết và kiến trúc mạng WSN
• 3.3.2. Suy luận khả năng nút được lựa chọn vào tập nút chủ cụm
• 3.3.3. Suy luận khả năng được lựa chọn làm chủ cụm trong miền cục bộ
• 3.3.4. Thiết lập tuyến kết nối giữa các CH
• 3.3.5. Kết quả đánh giá hiệu năng
• 3.4. Kết luận chương
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây (mạng cảm biến không dây) là một phần quan trọng trong hệ sinh thái Internet of Things (IoT). Chúng bao gồm nhiều nút cảm biến nhỏ gọn, có khả năng thu thập và truyền tải dữ liệu từ môi trường. Các nút này có thể cảm nhận các thông số như nhiệt độ, độ ẩm và ô nhiễm không khí. Việc truyền tải dữ liệu từ các nút cảm biến đến nút gốc giúp con người có thể theo dõi và phân tích thông tin một cách hiệu quả. Mạng cảm biến không dây có thể được triển khai ở nhiều địa hình khác nhau, từ những khu vực dễ tiếp cận đến những nơi khó khăn nhất. Tuy nhiên, mạng này cũng đối mặt với nhiều thách thức như độ tin cậy trong truyền thông và giới hạn về nguồn năng lượng. Do đó, việc áp dụng các kỹ thuật phân cụm là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất mạng. Các chiến lược phân cụm giúp giảm thiểu năng lượng tiêu thụ và kéo dài thời gian sống của mạng, từ đó cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây.

1.1. Các giao thức truyền dẫn và định tuyến trong mạng WSN

Thiết kế các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây (mạng cảm biến không dây) cần phải xem xét nhiều yếu tố như giới hạn công suất, chất lượng kênh truyền và khả năng mất gói. Các giao thức định tuyến có thể được chia thành hai loại chính: giao thức định tuyến nút trung tâm và giao thức định tuyến dữ liệu trung tâm. Giao thức LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) là một ví dụ điển hình cho giao thức định tuyến nút trung tâm, nơi các nút cảm biến tự tổ chức thành các cụm và một nút được chọn làm nút chủ để thực hiện việc truyền tải dữ liệu. Giao thức này giúp phân phối năng lượng đều giữa các nút, từ đó kéo dài thời gian sống của mạng. Trong khi đó, giao thức định tuyến dữ liệu trung tâm tập trung vào việc thu thập dữ liệu từ các vùng cụ thể, giúp tối ưu hóa việc truyền tải thông tin. Việc áp dụng các giao thức này không chỉ cải thiện hiệu năng mạng mà còn giúp quản lý thông tin một cách hiệu quả hơn.

II. Các giải pháp phân cụm trong mạng cảm biến không dây

Phân cụm là một kỹ thuật quan trọng trong việc cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây (cải thiện hiệu năng mạng). Kỹ thuật này giúp tổ chức các nút cảm biến thành các cụm, trong đó một nút được chọn làm nút chủ để thực hiện việc truyền tải dữ liệu. Các giải pháp phân cụm có thể được chia thành hai loại: phân cụm đều và phân cụm không đều. Phân cụm đều thường có độ phức tạp thấp hơn nhưng hiệu suất truyền thông có thể bị suy giảm do lỗ hổng năng lượng. Ngược lại, phân cụm không đều có thể tránh được vấn đề này nhưng yêu cầu nhiều biến số cần tối ưu. Các giao thức như LEACH, PEGASIS và TEEN đã được đề xuất để cải thiện hiệu suất năng lượng của mạng. Việc áp dụng các giải pháp phân cụm không chỉ giúp giảm thiểu tiêu thụ năng lượng mà còn kéo dài thời gian sống của mạng, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động của mạng cảm biến không dây.

2.1. Các đặc trưng kiến trúc cụm

Kiến trúc cụm trong mạng cảm biến không dây (mạng cảm biến không dây) có nhiều đặc trưng quan trọng. Đầu tiên, việc tổ chức các nút thành các cụm giúp giảm thiểu độ phức tạp trong việc quản lý thông tin và truyền tải dữ liệu. Thứ hai, các nút chủ trong cụm có nhiệm vụ phân phối thông tin và điều phối hoạt động của các nút khác, từ đó tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng. Cuối cùng, kiến trúc cụm cũng cho phép mở rộng mạng một cách linh hoạt, giúp dễ dàng thêm hoặc bớt các nút cảm biến mà không làm ảnh hưởng đến hiệu suất chung của mạng. Việc hiểu rõ các đặc trưng này là cần thiết để phát triển các giải pháp phân cụm hiệu quả hơn trong tương lai.

III. Giải pháp phân cụm cải thiện hiệu năng WSN dựa trên logic mờ

Sử dụng logic mờ trong phân cụm mạng cảm biến không dây (cải thiện hiệu suất) là một phương pháp tiềm năng. Logic mờ cho phép xử lý các thông tin không chắc chắn và giúp đưa ra quyết định dựa trên các tiêu chí mờ. Trong bối cảnh mạng cảm biến, việc áp dụng logic mờ có thể giúp xác định khả năng của các nút cảm biến trong việc trở thành nút chủ cụm. Các giả thiết và kiến trúc mạng WSN được thiết lập để tối ưu hóa việc lựa chọn nút chủ, từ đó nâng cao hiệu suất truyền tải dữ liệu. Kết quả đánh giá hiệu năng cho thấy rằng việc áp dụng logic mờ không chỉ cải thiện khả năng truyền tải mà còn kéo dài thời gian sống của mạng. Điều này chứng tỏ rằng logic mờ có thể là một công cụ hữu ích trong việc phát triển các giải pháp phân cụm hiệu quả cho mạng cảm biến không dây.

3.1. Tóm lược hoạt động bầu chủ cụm của LEACH

Giao thức LEACH là một trong những giao thức phân cụm phổ biến nhất trong mạng cảm biến không dây (mạng cảm biến không dây). Giao thức này hoạt động bằng cách tổ chức các nút cảm biến thành các cụm, trong đó một nút được chọn làm nút chủ. Nút chủ có nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ các nút trong cụm và truyền tải thông tin đến nút gốc. Việc lựa chọn nút chủ được thực hiện ngẫu nhiên, giúp phân phối năng lượng đều giữa các nút và kéo dài thời gian sống của mạng. Tuy nhiên, giao thức này cũng gặp phải một số vấn đề như độ phức tạp trong việc lựa chọn nút chủ và khả năng mất mát dữ liệu trong quá trình truyền tải. Do đó, việc cải thiện giao thức LEACH thông qua các phương pháp như logic mờ có thể giúp nâng cao hiệu suất mạng một cách đáng kể.