Nâng cao tuổi thọ mạng cảm biến không dây với giải thuật định tuyến cân bằng tải

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM TẠ

TÓM TẮT

DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT/KÝ HIỆU KHOA HỌC

DANH SÁCH CÁC HÌNH

DANH SÁCH CÁC BẢNG

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Lý do chọn đề tài

1.2. Mục tiêu nghiên cứu

1.3. Nhiệm vụ nghiên cứu

1.4. Khách thể và đối tượng nghiên cứu

1.5. Giả thuyết nghiên cứu

1.6. Phạm vi nghiên cứu

1.7. Phương pháp nghiên cứu

1.8. Kế hoạch thực hiện

2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây

2.2. Giới thiệu về IEEE 802. Phương thức mạng và cấu trúc siêu khung

2.2.1. Phương thức mạng

2.2.2. Cấu trúc siêu khung

2.3. Quản lý khe thời gian đảm bảo

2.4. Chế độ truyền dữ liệu

2.5. Một số giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây

2.6. Một số ví dụ triển khai

2.7. Kết luận chương

3. CHƯƠNG 3: ĐỊNH TUYẾN CÂN BẰNG TẢI

3.1. Khung định tuyến

3.2. Cấu hình và duy trì mạng

3.3. Các giai đoạn thành lập định tuyến

3.4. Quá trình lựa chọn nút chuyển tiếp thích ứng

3.5. Phòng chống định tuyến vòng và khả năng thích ứng với các biến động liên kết

3.6. Tổng hợp và phân phối dữ liệu cân bằng

3.7. Tổng hợp nhận thức tại

3.8. Giới hạn thời hạn chuyển tiếp

3.9. Định tuyến cân bằng năng lượng

3.10. Năng lượng tiêu hao trung bình trên mỗi tuyến đường

3.11. Năng lượng và xác suất tin cậy

3.12. Xác suất chuyển tiếp gói dữ liệu

3.13. Mô hình cân bằng năng lượng

3.14. Sự tiêu thụ năng lượng trên mỗi nút cảm biến chuyển tiếp

3.15. Kết luận chương

4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG ĐỊNH TUYẾN CÂN BẰNG TẢI

4.1. Các thông số mô phỏng

4.2. Phương pháp định tuyến

4.3. Các trường hợp mô phỏng

4.3.1. Phân bố đều các nút cảm biến

4.3.1.1. Sự tổng hợp và chuyển tiếp các gói dữ liệu tại các nút cảm biến phân bố đều

4.3.1.2. Phân bố năng lượng còn lại tại các nút cảm biến phân bố đều

4.3.2. Phân bố ngẫu nhiên các nút cảm biến

4.3.2.1. Sự tổng hợp và chuyển tiếp các gói dữ liệu tại các nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên

4.3.2.2. Phân bố năng lượng còn lại tại các nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên

4.3.2.3. Ảnh hưởng của số lượng nút cảm biến N và bán kính phạm vi liên lạc R trong phân bố ngẫu nhiên

4.3.3. Mô phỏng Monte Carlo

4.4. Kết luận chương

5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN

5.1. Hướng phát triển

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

Phụ lục 1. Thuật toán Floyd - Warshall

Phụ lục 2. Tổng số gói dữ liệu theo bán kính phạm vi liên lạc

Phụ lục 3. Số liệu mô phỏng Monte Carlo

I. Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây (WSN) là một hệ thống bao gồm nhiều nút cảm biến với năng lượng hạn chế, thường được sử dụng để giám sát và thu thập dữ liệu từ môi trường. Các nút này giao tiếp với nhau qua kết nối không dây, thường sử dụng phương thức định tuyến multi-hop. Việc duy trì tuổi thọ mạng là một thách thức lớn, vì năng lượng của các nút cảm biến thường không thể được nạp lại. Khi một nút cảm biến cạn kiệt năng lượng, nó sẽ ngừng hoạt động, dẫn đến mất mát dữ liệu và giảm hiệu quả của mạng. Do đó, việc phát triển các giải pháp định tuyến hiệu quả nhằm tối ưu hóa tuổi thọ pin và hiệu suất mạng là rất cần thiết.

1.1. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây có những đặc điểm nổi bật như: số lượng nút lớn, năng lượng hạn chế, và khả năng tự động hoạt động. Các nút cảm biến thường được phân bố trên một diện tích rộng lớn để thu thập dữ liệu từ nhiều vị trí khác nhau. Việc truyền tải dữ liệu từ nút nguồn đến trạm gốc thông qua các nút trung gian là rất quan trọng. Tuy nhiên, việc sử dụng năng lượng hiệu quả là một thách thức lớn, vì năng lượng của các nút cảm biến thường bị tiêu hao nhanh chóng trong quá trình truyền tải dữ liệu. Do đó, việc phát triển các giải pháp định tuyến như giải thuật định tuyến cân bằng tải là cần thiết để kéo dài tuổi thọ mạng.

II. Giải thuật định tuyến cân bằng tải

Giải thuật định tuyến cân bằng tải được thiết kế nhằm phân phối đồng đều năng lượng tiêu hao giữa các nút cảm biến trong mạng. Mục tiêu chính là kéo dài tuổi thọ mạng bằng cách ngăn chặn tình trạng cạn kiệt năng lượng ở các nút quan trọng. Giải thuật này sử dụng trọng số là tỷ lệ nghịch của năng lượng còn lại của mỗi nút để lựa chọn nút trung gian trong quá trình truyền tải dữ liệu. Điều này có nghĩa là các nút có năng lượng cao hơn sẽ được ưu tiên hơn trong việc truyền tải dữ liệu, từ đó giúp cân bằng tải và kéo dài thời gian hoạt động của mạng.

2.1. Cấu trúc và hoạt động của giải thuật

Giải thuật định tuyến cân bằng tải hoạt động dựa trên việc phân tích năng lượng còn lại của các nút cảm biến. Khi một nút cảm biến được chọn làm nút trung gian, nó không chỉ dựa vào khoảng cách từ nút nguồn đến trạm gốc mà còn phụ thuộc vào năng lượng còn lại của nút đó. Điều này giúp đảm bảo rằng không có nút nào bị lạm dụng quá mức, từ đó kéo dài tuổi thọ mạng. Các mô phỏng cho thấy rằng việc áp dụng giải thuật này có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của mạng cảm biến không dây.

III. Tối ưu hóa hiệu suất mạng

Tối ưu hóa hiệu suất mạng cảm biến không dây là một yếu tố quan trọng trong việc nâng cao tuổi thọ mạng. Việc sử dụng các giải thuật định tuyến hiệu quả không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn đảm bảo rằng dữ liệu được truyền tải một cách nhanh chóng và chính xác. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng giải thuật định tuyến cân bằng tải có thể làm giảm đáng kể tỷ lệ mất gói dữ liệu và tăng cường khả năng truyền tải thông tin. Điều này không chỉ có lợi cho việc duy trì hoạt động của mạng mà còn cải thiện khả năng thu thập dữ liệu từ môi trường.

3.1. Ứng dụng thực tiễn của giải thuật

Giải thuật định tuyến cân bằng tải có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ giám sát môi trường đến quản lý năng lượng trong các hệ thống thông minh. Việc tối ưu hóa hiệu suất mạng không chỉ giúp kéo dài tuổi thọ pin mà còn nâng cao khả năng thu thập và truyền tải dữ liệu. Các ứng dụng thực tiễn của giải thuật này có thể bao gồm giám sát chất lượng không khí, theo dõi động vật hoang dã, và quản lý tài nguyên nước. Những ứng dụng này cho thấy giá trị thực tiễn của việc phát triển và áp dụng các giải pháp định tuyến hiệu quả trong mạng cảm biến không dây.

Nghiên cứu giải thuật định tuyến cân bằng tải để nâng cao tuổi thọ cho mạng cảm biến không dây