Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu hiệu quả năng lượng mạng cảm biến không dây sử dụng giao thức LEACH

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Chương
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Chiến Trinh
• Trường học: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
• Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
• Đề tài: Nghiên Cứu Hiệu Quả Năng Lượng Trong Mạng Cảm Biến Không Dây Với Giao Thức LEACH
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
• 1.1. Giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây
• 1.2. Các thiết bị mạng cảm biến không dây
• 1.3. Cấu tạo một nút cảm biến
• 1.4. Cấu trúc mạng cảm biến không dây
• 1.5. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây
• 1.6. Một số ứng dụng điển hình
• 1.7. Các vấn đề liên quan tới hiệu quả năng lượng
• 1.8. Tổng quan về vấn đề năng lượng nút cảm biến
• 1.9. Sự tiêu thụ năng lượng
• 1.10. Kết luận chương
• 2. CHƯƠNG 2: GIAO THỨC PHÂN CỤM HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG LEACH
• 2.1. Giới thiệu chung
• 2.2. Vấn đề định tuyến trong mạng WSN
• 2.3. Giao thức LEACH và các biến thể
• 2.4. Cơ chế hoạt động của LEACH
• 2.5. Đặc trưng và ứng dụng của LEACH trong mạng
• 2.6. Kết luận chương
• 3. CHƯƠNG 3: CẢI THIỆN GIAO THỨC LEACH ĐỂ NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG
• 3.1. Tóm tắt các hướng cải thiện giao thức LEACH
• 3.2. Giao thức LEACH-C (LEACH – CENTRALIZED)
• 3.3. Giao thức SEP (Stable Election Protocol)
• 3.4. Đánh giá và đưa ra đề xuất cải thiện tham số ngưỡng chọn chủ cụm
• 3.5. Cấu hình cụm
• 3.6. Cấu tạo mô hình pha giao tiếp
• 3.7. Đường truyền đa chặng dựa trên tối ưu hóa thuật toán đàn kiến
• 3.8. Mô phỏng và đánh giá hiệu quả đề xuất
• 3.9. Xây dựng và mô phỏng nền tảng thử nghiệm
• 3.10. Sự ổn định của số lượng đầu cụm
• 3.11. Thời gian hoạt động của mạng
• 3.12. Số lượng gói tin nhận được tại trạm gốc
• 3.13. Kết luận chương
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây (mạng cảm biến không dây) là một công nghệ quan trọng trong việc thu thập và truyền tải thông tin từ môi trường. Các cảm biến được triển khai để thu thập dữ liệu và gửi về một trạm trung tâm. Công nghệ này đã phát triển mạnh mẽ nhờ vào sự tiến bộ của các công nghệ vi điện tử và truyền thông không dây. Tuy nhiên, mạng cảm biến không dây cũng gặp phải nhiều thách thức, đặc biệt là vấn đề tiêu thụ năng lượng. Nguồn năng lượng hạn chế của các nút cảm biến ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ của mạng. Do đó, việc tối ưu hóa năng lượng là một trong những vấn đề quan trọng nhất trong nghiên cứu mạng cảm biến. Việc áp dụng các giao thức như giao thức LEACH giúp cải thiện hiệu quả năng lượng, từ đó kéo dài thời gian hoạt động của mạng.

1.1. Các thiết bị mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều thành phần chính như nút cảm biến, mạng lưới liên kết, điểm trung tâm và bộ phận xử lý dữ liệu. Nút cảm biến là thiết bị chủ yếu thực hiện việc thu thập và truyền tải dữ liệu. Các nút này thường tiêu thụ rất ít năng lượng và có khả năng tự tổ chức. Mạng lưới liên kết giữa các nút có thể là hữu tuyến hoặc vô tuyến, cho phép truyền tải thông tin một cách linh hoạt. Điểm trung tâm tập hợp dữ liệu đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý và phân tích thông tin thu thập được. Việc thiết kế các thiết bị này cần đảm bảo tính hiệu quả và tiết kiệm năng lượng, nhằm tối ưu hóa hoạt động của mạng cảm biến.

II. Giao thức phân cụm hiệu quả năng lượng LEACH

Giao thức LEACH (giao thức LEACH) là một trong những giao thức nổi bật trong việc tối ưu hóa năng lượng cho mạng cảm biến không dây. Giao thức này hoạt động theo cơ chế phân cụm, trong đó các nút cảm biến được chia thành các cụm và mỗi cụm có một nút đầu cụm. Nút đầu cụm có nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ các nút trong cụm và gửi về trạm trung tâm. Cơ chế này giúp giảm thiểu năng lượng tiêu thụ so với việc gửi dữ liệu trực tiếp từ từng nút đến trạm trung tâm. Giao thức LEACH có nhiều biến thể nhằm cải thiện hiệu suất và khả năng mở rộng của mạng. Việc áp dụng LEACH trong các ứng dụng thực tiễn đã cho thấy sự cải thiện đáng kể về hiệu quả năng lượng và thời gian hoạt động của mạng.

2.1. Cơ chế hoạt động của LEACH

Cơ chế hoạt động của LEACH bao gồm hai giai đoạn chính: giai đoạn thiết lập và giai đoạn ổn định. Trong giai đoạn thiết lập, các nút cảm biến tự chọn cho mình một nút đầu cụm dựa trên một ngưỡng năng lượng. Sau khi các nút đầu cụm được chọn, chúng sẽ thông báo cho các nút khác trong cụm. Giai đoạn ổn định là thời gian mà các nút trong cụm gửi dữ liệu về nút đầu cụm. Giao thức này giúp giảm thiểu số lần truyền tải dữ liệu, từ đó tiết kiệm năng lượng. Việc tối ưu hóa các tham số trong giao thức LEACH có thể nâng cao hiệu quả hoạt động của mạng cảm biến không dây, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu độ tin cậy cao.

III. Cải thiện giao thức LEACH để nâng cao hiệu năng mạng

Việc cải thiện giao thức LEACH là cần thiết để nâng cao hiệu năng của mạng cảm biến không dây. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng các biến thể như LEACH-C (LEACH Centralized) và SEP (Stable Election Protocol) có thể mang lại hiệu quả cao hơn. LEACH-C sử dụng một trạm trung tâm để quản lý việc chọn nút đầu cụm, trong khi SEP tập trung vào việc duy trì sự ổn định của các nút đầu cụm trong thời gian dài. Các cải tiến này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn nâng cao khả năng truyền tải dữ liệu của mạng. Mô phỏng và đánh giá hiệu quả của các cải tiến này cho thấy sự gia tăng đáng kể về thời gian hoạt động và số lượng gói tin nhận được tại trạm gốc.

3.1. Đánh giá và đề xuất cải thiện tham số ngưỡng chọn chủ cụm

Đánh giá tham số ngưỡng chọn chủ cụm là một trong những yếu tố quan trọng trong việc cải thiện hiệu quả của giao thức LEACH. Việc điều chỉnh ngưỡng này có thể giúp tối ưu hóa số lượng nút đầu cụm và giảm thiểu năng lượng tiêu thụ. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng các thuật toán tối ưu hóa như thuật toán đàn kiến có thể giúp tìm ra cấu hình tối ưu cho mạng. Điều này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn kéo dài tuổi thọ của mạng cảm biến không dây. Việc áp dụng các phương pháp mô phỏng để đánh giá hiệu quả của các cải tiến này là rất cần thiết để đảm bảo tính khả thi trong thực tế.

Tổng quan nghiên cứu

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) là một thành phần hạ tầng quan trọng trong các giải pháp kết nối Internet of Things (IoT) của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0. Theo ước tính, mạng cảm biến không dây được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như quân sự, môi trường, y tế, và công nghiệp với hàng trăm nghìn nút cảm biến được triển khai trong các khu vực mục tiêu. Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn nhất của WSN là hiệu quả năng lượng, bởi các nút cảm biến thường có nguồn năng lượng giới hạn, ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ và hiệu suất mạng.

Luận văn tập trung nghiên cứu hiệu quả năng lượng của mạng cảm biến không dây sử dụng giao thức LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) – một giao thức định tuyến phân cụm thích nghi nhằm tiết kiệm năng lượng. Mục tiêu cụ thể là phân tích, đánh giá và đề xuất cải tiến giao thức LEACH để nâng cao hiệu năng mạng, kéo dài thời gian hoạt động và tăng số lượng gói tin được truyền về trạm gốc. Nghiên cứu được thực hiện trên mô hình mạng cảm biến với 100 nút phân bố ngẫu nhiên trong khu vực 100 × 100 m², trạm gốc đặt tại trung tâm mạng.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu quả năng lượng cho các ứng dụng thực tế của WSN, góp phần nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ mạng trong các môi trường khắc nghiệt và đa dạng. Các chỉ số đánh giá như thời gian sống của mạng, số lượng nút chết theo vòng, và số gói tin nhận được tại trạm gốc được sử dụng làm metrics chính để đo lường hiệu quả.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Mạng cảm biến không dây (WSN): Mạng gồm nhiều nút cảm biến nhỏ gọn, có khả năng thu thập, xử lý và truyền dữ liệu không dây về trạm gốc. Các nút có nguồn năng lượng hạn chế, đòi hỏi thiết kế giao thức tiết kiệm năng lượng.
• Giao thức LEACH: Giao thức định tuyến phân cụm thích nghi, trong đó các nút tự tổ chức thành các cụm, chọn ngẫu nhiên các nút làm đầu cụm (Cluster Head - CH) để thu thập và truyền dữ liệu về trạm gốc. LEACH sử dụng cơ chế xoay vòng đầu cụm nhằm cân bằng năng lượng giữa các nút.
• Mô hình tiêu thụ năng lượng: Năng lượng tiêu thụ của nút cảm biến được phân thành ba phần chính: năng lượng cảm biến, năng lượng truyền thông và năng lượng xử lý. Mô hình tính toán năng lượng tiêu thụ dựa trên khoảng cách truyền, số lượng nút trong cụm và các tham số mạch khuếch đại.
• Thuật toán tối ưu hóa: Thuật toán mô phỏng ủ (Simulated Annealing) và thuật toán đàn kiến (Ant Colony Optimization) được áp dụng để tối ưu hóa việc phân bố đầu cụm và đường truyền đa chặng, nhằm giảm tiêu thụ năng lượng truyền dữ liệu.

Các khái niệm chính bao gồm: phân cụm đồng đều, xác suất chọn đầu cụm, mô hình kênh truyền nhiều đường và kênh truyền không gian tự do, cấu trúc mạng phẳng và tầng, cũng như các biến thể của giao thức LEACH như LEACH-C, SEP.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là mô phỏng trên nền tảng thử nghiệm với 100 nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên trong vùng 100 × 100 m², trạm gốc đặt tại trung tâm. Cỡ mẫu 100 nút được chọn nhằm đảm bảo tính đại diện và khả năng phân tích hiệu quả năng lượng trong mạng.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Mô phỏng hoạt động mạng theo các vòng (rounds), mỗi vòng gồm pha thiết lập và pha ổn định.
• Đánh giá các chỉ số: số lượng đầu cụm ổn định, thời gian sống của mạng (số vòng trước khi nút đầu tiên chết), số lượng gói tin nhận được tại trạm gốc.
• So sánh hiệu quả giữa giao thức LEACH gốc và các biến thể cải tiến như LEACH-C, SEP, và LEACH-VA (kết hợp sơ đồ Voronoi và thuật toán đàn kiến).
• Sử dụng mô hình tiêu thụ năng lượng chi tiết để tính toán năng lượng tiêu hao của từng nút trong các pha truyền nhận dữ liệu.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian từ năm 2019 đến 2020, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ổn định số lượng đầu cụm: Giao thức LEACH-VA với việc áp dụng sơ đồ Voronoi giúp phân bố đầu cụm đồng đều hơn, giảm dao động số lượng đầu cụm trong mỗi vòng xuống dưới 5%, so với dao động 15-20% của LEACH gốc. Điều này góp phần cân bằng tải năng lượng giữa các cụm.

2. Thời gian sống của mạng: Mô phỏng cho thấy LEACH-VA kéo dài thời gian sống của mạng lên khoảng 1200 vòng, tăng 25% so với LEACH gốc (khoảng 960 vòng) và vượt trội hơn LEACH-C (1100 vòng) và SEP (1150 vòng).

3. Số lượng gói tin nhận được tại trạm gốc: LEACH-VA đạt trung bình 15000 gói tin trong suốt thời gian hoạt động, cao hơn 20% so với LEACH gốc (12500 gói tin) và cải thiện đáng kể so với các biến thể khác.

4. Tiêu thụ năng lượng: Việc tối ưu hóa đường truyền đa chặng bằng thuật toán đàn kiến giúp giảm tiêu thụ năng lượng truyền dữ liệu đường dài của đầu cụm khoảng 18%, đồng thời giảm năng lượng tiêu hao của các nút thành viên trong cụm khoảng 12%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện hiệu quả năng lượng là do việc phân bố đầu cụm đồng đều hơn, tránh tình trạng một số đầu cụm bị quá tải năng lượng dẫn đến chết sớm. Sơ đồ Voronoi giúp xác định vùng phủ sóng cụm hợp lý, giảm khoảng cách truyền dữ liệu nội cụm. Thuật toán đàn kiến tối ưu hóa đường truyền đa chặng giữa các đầu cụm và trạm gốc, giảm năng lượng tiêu hao cho truyền thông dài.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả của luận văn cho thấy sự kết hợp giữa phân cụm đồng đều và tối ưu hóa đường truyền là hướng đi hiệu quả để nâng cao tuổi thọ mạng. Các biểu đồ số lượng nút chết theo vòng, số gói tin nhận được và năng lượng dư theo vòng được trình bày rõ ràng, minh họa sự vượt trội của phương pháp đề xuất.

Ý nghĩa của kết quả là mở ra khả năng ứng dụng giao thức cải tiến trong các hệ thống WSN thực tế, đặc biệt trong các môi trường đòi hỏi tuổi thọ mạng dài và hiệu quả năng lượng cao như giám sát môi trường, y tế từ xa, và quân sự.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai giao thức LEACH-VA trong các hệ thống WSN thực tế: Khuyến nghị các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp ứng dụng công nghệ WSN áp dụng giao thức cải tiến này để nâng cao tuổi thọ mạng và hiệu quả truyền dữ liệu. Thời gian thử nghiệm thực tế nên kéo dài ít nhất 6 tháng để đánh giá ổn định.

2. Phát triển phần mềm mô phỏng tích hợp thuật toán tối ưu: Động viên các nhóm phát triển phần mềm xây dựng các công cụ mô phỏng tích hợp sơ đồ Voronoi và thuật toán đàn kiến để hỗ trợ thiết kế mạng cảm biến hiệu quả hơn. Mục tiêu hoàn thiện trong vòng 12 tháng.

3. Đào tạo và nâng cao nhận thức về hiệu quả năng lượng trong WSN: Các trường đại học và trung tâm đào tạo kỹ thuật viễn thông nên cập nhật nội dung giảng dạy về các giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng, đặc biệt là các biến thể của LEACH, nhằm trang bị kiến thức thực tiễn cho sinh viên và kỹ sư.

4. Nghiên cứu mở rộng cho các mạng cảm biến đa lớp và đa nhiệm: Khuyến khích các nhà nghiên cứu tiếp tục phát triển các biến thể giao thức phù hợp với mạng cảm biến có cấu trúc tầng phức tạp và các ứng dụng đa nhiệm, nhằm tối ưu hóa hiệu quả năng lượng trong các môi trường đa dạng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật viễn thông: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mạng cảm biến không dây và giao thức LEACH, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong WSN.

2. Kỹ sư phát triển hệ thống IoT và WSN: Các kỹ sư thiết kế và triển khai hệ thống IoT có thể áp dụng các cải tiến giao thức để tối ưu hóa hiệu suất và tuổi thọ thiết bị trong các dự án thực tế.

3. Doanh nghiệp công nghệ và viễn thông: Các công ty phát triển sản phẩm cảm biến và giải pháp mạng không dây có thể sử dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí bảo trì và tăng tính cạnh tranh.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách: Các tổ chức quản lý về công nghệ thông tin và viễn thông có thể tham khảo để xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật và khuyến khích áp dụng các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến.

Câu hỏi thường gặp

1. Giao thức LEACH là gì và tại sao nó quan trọng trong mạng cảm biến không dây?
   LEACH là giao thức định tuyến phân cụm thích nghi giúp tiết kiệm năng lượng bằng cách xoay vòng vai trò đầu cụm giữa các nút, giảm tải cho từng nút và kéo dài tuổi thọ mạng. Đây là giao thức nền tảng được nhiều nghiên cứu và ứng dụng trong WSN.

2. Những hạn chế chính của giao thức LEACH gốc là gì?
   LEACH gốc có nhược điểm là chọn đầu cụm ngẫu nhiên không dựa trên năng lượng còn lại, dẫn đến nút yếu có thể bị chọn làm đầu cụm và chết sớm. Ngoài ra, số lượng và vị trí đầu cụm không ổn định, gây tiêu hao năng lượng không đồng đều.

3. Các cải tiến chính trong giao thức LEACH-VA là gì?
   LEACH-VA sử dụng sơ đồ Voronoi để phân bố đầu cụm đồng đều và thuật toán đàn kiến để tối ưu đường truyền đa chặng, giúp giảm tiêu thụ năng lượng truyền dữ liệu và cân bằng tải năng lượng giữa các nút.

4. Làm thế nào để đánh giá hiệu quả năng lượng của một giao thức trong WSN?
   Hiệu quả được đánh giá qua các chỉ số như thời gian sống của mạng (số vòng trước khi nút đầu tiên chết), số lượng gói tin nhận được tại trạm gốc, số lượng nút chết theo thời gian và mức tiêu thụ năng lượng trung bình của các nút.

5. Giao thức LEACH-C và SEP khác gì so với LEACH gốc?
   LEACH-C là giao thức tập trung, trạm gốc quyết định đầu cụm dựa trên vị trí và năng lượng, giúp phân bố cụm tối ưu hơn. SEP nhận thức sự không đồng nhất năng lượng giữa các nút, chọn đầu cụm dựa trên trọng số năng lượng, cải thiện tuổi thọ mạng so với LEACH gốc.

Kết luận

• Giao thức LEACH là nền tảng quan trọng trong mạng cảm biến không dây, giúp tiết kiệm năng lượng và kéo dài tuổi thọ mạng.
• Các nhược điểm của LEACH gốc như chọn đầu cụm ngẫu nhiên và phân bố không đồng đều ảnh hưởng đến hiệu quả năng lượng.
• Nghiên cứu đã đề xuất cải tiến LEACH-VA kết hợp sơ đồ Voronoi và thuật toán đàn kiến, nâng cao hiệu quả phân cụm và tối ưu đường truyền.
• Kết quả mô phỏng cho thấy LEACH-VA cải thiện thời gian sống mạng lên 25% và tăng số lượng gói tin truyền về trạm gốc 20% so với LEACH gốc.
• Đề xuất các giải pháp ứng dụng và phát triển tiếp theo nhằm mở rộng hiệu quả năng lượng cho các mạng cảm biến đa lớp và đa nhiệm.

Luận văn khuyến khích các nhà nghiên cứu và kỹ sư tiếp tục phát triển các giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng, đồng thời áp dụng các kết quả nghiên cứu vào thực tiễn để nâng cao hiệu quả và độ bền của mạng cảm biến không dây.