Luận án về giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng cho mạng cảm biến

• Tác giả: Nguyễn Duy Tân
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Đình Việt
• Trường học: Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ thông tin
• Đề tài: Nghiên cứu giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng cho mạng cảm biến
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. Chương 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Mạng cảm biến không dây
• 1.2. Sự ra đời của mạng cảm biến không dây
• 1.3. Các ứng dụng điển hình của mạng cảm biến không dây
• 1.4. Các ứng dụng đã được áp dụng trong thực tế
• 1.5. Các ứng dụng trong tương lai và các yêu cầu kèm theo
• 1.6. Các vấn đề phải nghiên cứu, giải quyết
• 1.7. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
• 1.8. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
• 1.9. Mục tiêu nghiên cứu của luận án và các vấn đề được giải quyết
• 1.10. Các mục tiêu cụ thể
• 1.11. Nội dung luận án
• 1.12. Đóng góp của luận án
• 2. Chương 2: ĐỊNH TUYẾN VÀ ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
• 2.1. Giải pháp tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến không dây
• 2.2. Giải pháp tiết kiệm năng lượng trong kiến trúc nút cảm biến
• 2.3. Giải pháp tiết kiệm năng lượng trong điều khiển truy nhập môi trường truyền dẫn không dây
• 2.4. Giải pháp tổng hợp dữ liệu
• 2.5. Định tuyến trong mạng cảm biến không dây
• 2.6. Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây
• 2.7. Các giao thức kiến trúc phẳng
• 2.8. Các giao thức định tuyến theo thông tin địa lý
• 2.9. Các giao thức dựa trên chất lượng dịch vụ
• 2.10. Các giao thức có thứ bậc
• 2.11. Phân cụm hiệu quả năng lượng dựa trên xác suất
• 2.12. Định tuyến phân cụm tập trung
• 2.13. Phân cụm hiệu quả năng lượng dựa trên chuỗi
• 2.14. Phân cụm hiệu quả năng lượng dựa trên cây tối thiểu
• 2.15. Giao thức ngưỡng nhạy cảm năng lượng thấp
• 2.16. Phân cụm tổng hợp dữ liệu
• 2.17. Tổng kết chương
• 3. Chương 3: ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG DỰA TRÊN PHÂN CỤM
• 3.1. Kỹ thuật định tuyến phân cụm phân tán
• 3.2. Đề xuất cải tiến giao thức LEACH
• 3.3. Mô phỏng để đánh giá hiệu quả của đề xuất cải tiến giao thức LEACH
• 3.4. Phân tích và so sánh với các thuật toán cùng hướng khác
• 3.5. Tổng kết chương
• 4. Chương 4: ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG DỰA TRÊN CHUỖI
• 4.1. Phân tích tổng hợp dữ liệu
• 4.2. Đề xuất cải tiến thuật toán xây dựng chuỗi dài
• 4.3. Giai đoạn chọn nút cụm trưởng (CH)
• 4.4. Giai đoạn xây dựng chuỗi
• 4.5. Giai đoạn tổng hợp dữ liệu trong chuỗi
• 4.6. Giai đoạn truyền dữ liệu
• 4.7. Mô phỏng để đánh giá hiệu quả của đề xuất cải tiến giao thức DFCB
• 4.8. Phân tích và so sánh với các thuật toán cùng hướng khác
• 4.9. Đề xuất cải tiến lược đồ xây dựng cụm chuỗi
• 4.10. Giai đoạn thiết lập cụm
• 4.11. Giai đoạn cảm biến và truyền dữ liệu
• 4.12. Mô phỏng để đánh giá hiệu quả của giao thức đề xuất SCBC
• 4.13. Phân tích, đánh giá và so sánh thời gian sống của mạng khi áp dụng các giao thức PEGASIS, IEEPB và SCBC
• 4.14. Phân tích, đánh giá và so sánh năng lượng tiêu thụ của mạng khi áp dụng các giao thức PEGASIS, IEEPB và SCBC
• 4.15. Phân tích và so sánh với các thuật toán cùng hướng khác
• 4.16. Tổng kết chương
• 5. Chương 5: ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG DỰA TRÊN CÂY TỐI THIỂU
• 5.1. Lược đồ định tuyến kết hợp với tổng hợp dữ liệu trên cây
• 5.2. Đề xuất cải tiến thuật toán xây dựng cụm cây
• 5.3. Giai đoạn thiết lập cụm cây
• 5.4. Giai đoạn truyền dữ liệu
• 5.5. Kết hợp với lập lịch ngủ
• 5.6. Phân tích tiêu thụ năng lượng trong giao thức SSTBC
• 5.7. Thuật toán lập lịch ngủ
• 5.8. Phân tích, đánh giá và so sánh thời gian sống của mạng khi áp dụng các giao thức PEGASIS, STDC, DFTBC và SSTBC
• 5.9. Các tham số mô phỏng
• 5.10. Kết quả mô phỏng DFTBC
• 5.11. Kết quả mô phỏng giao thức SSTBC
• 5.12. Phân tích và so sánh với các thuật toán cùng hướng khác
• 5.13. Tổng kết chương
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây (WSN) là một hệ thống bao gồm nhiều nút cảm biến có khả năng thu thập và truyền tải thông tin từ môi trường vật lý. Các nút này thường được triển khai dày đặc và có thể di chuyển hoặc đứng yên. Chúng có khả năng cảm biến nhiều loại thông tin như nhiệt độ, độ ẩm, và áp suất. Giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa năng lượng trong mạng. Việc tiết kiệm năng lượng là một trong những thách thức lớn nhất trong thiết kế và triển khai mạng cảm biến không dây. Các nút cảm biến thường sử dụng pin có dung lượng hạn chế, do đó, việc tối ưu hóa hiệu suất năng lượng là cần thiết để kéo dài thời gian hoạt động của mạng.

1.1. Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như giám sát môi trường, hệ thống giao thông thông minh, và chăm sóc sức khỏe. Các ứng dụng này yêu cầu giao thức định tuyến phải có khả năng tiết kiệm năng lượng hiệu quả. Việc sử dụng các giao thức tiết kiệm năng lượng giúp giảm thiểu tiêu thụ năng lượng trong quá trình truyền tải dữ liệu, từ đó kéo dài tuổi thọ của mạng. Các nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc phát triển các giao thức định tuyến mới nhằm cải thiện hiệu suất và khả năng mở rộng của mạng cảm biến không dây.

II. Định tuyến và tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến

Định tuyến trong mạng cảm biến không dây là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất năng lượng. Các giao thức định tuyến hiện có được phân loại thành nhiều loại khác nhau, bao gồm giao thức kiến trúc phẳng, giao thức theo thông tin địa lý, và giao thức có thứ bậc. Mỗi loại giao thức có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn giao thức định tuyến phù hợp có thể giúp tối ưu hóa năng lượng trong mạng và cải thiện khả năng truyền tải dữ liệu. Các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong kiến trúc nút cảm biến cũng được nghiên cứu để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng trong quá trình hoạt động.

2.1. Các giải pháp tiết kiệm năng lượng

Các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến không dây bao gồm việc tối ưu hóa giao thức định tuyến và cải thiện kiến trúc nút cảm biến. Một số giao thức như LEACH và PEGASIS đã được phát triển để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng. Những giao thức này sử dụng phương pháp phân cụm để giảm số lượng gói tin cần truyền, từ đó tiết kiệm năng lượng. Việc áp dụng các giao thức tiết kiệm năng lượng không chỉ giúp kéo dài tuổi thọ của mạng mà còn cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống.

III. Đề xuất cải tiến giao thức LEACH

Giao thức LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy) là một trong những giao thức phổ biến nhất trong mạng cảm biến không dây. Giao thức này sử dụng phương pháp phân cụm để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng. Tuy nhiên, một số hạn chế của LEACH đã được phát hiện, bao gồm việc phân bổ không đồng đều các nút cụm trưởng. Đề xuất cải tiến giao thức LEACH nhằm tối ưu hóa việc chọn nút cụm trưởng và cải thiện khả năng truyền tải dữ liệu. Việc áp dụng các cải tiến này có thể giúp tăng cường hiệu suất năng lượng và kéo dài thời gian sống của mạng.

3.1. Mô phỏng và đánh giá hiệu quả

Mô phỏng là một công cụ quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả của các giao thức định tuyến. Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng các cải tiến trong giao thức LEACH có thể dẫn đến việc tiết kiệm năng lượng đáng kể. Việc so sánh với các giao thức khác như PEGASIS và IEEPB cũng cho thấy rằng giao thức cải tiến có thể hoạt động hiệu quả hơn trong việc tiết kiệm năng lượng và kéo dài tuổi thọ của mạng. Những kết quả này chứng minh rằng việc tối ưu hóa giao thức định tuyến là cần thiết để nâng cao hiệu suất năng lượng trong mạng cảm biến không dây.