Giải pháp tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến không dây sử dụng giao thức Leach

5GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY SỬ DỤNG GIAO THỨC LEACH Lê Thị Thanh Bình1 Tóm tắt: Tiết kiệm năng lượng là vấn đề quan tâm hàng đầu trong tất cả các lĩnh vực, đặc biệt, trong các lĩnh vực mà nguồn năng lượng hạn chế như mạng cảm biến không dây thì vấn đề tiết kiệm năng lượng càng cấp thiết. Bài báo tập trung phân tích hoạt động của giao thức LEACH (low energy adaptive clustering hierarchy) - một trong những giao thức được đánh giá đạt hiệu quả năng lượng trong mạng cảm biến không dây [6]. Từ đó, bằng phương pháp mô phỏng, bài báo đưa ra quy luật giảm năng lượng tiêu thụ trong giao thức LEACH khi phân bố mật độ nút cảm biến và khi phân cụm trong mạng cảm biến không dây. Từ khóa: Giao thức LEACH, low energy adaptive clustering hierarchy, năng lượng trong mạng cảm biến không dây, giao thức định tuyến. 1. Mở đầu Sự phát triển của Công nghệ thông tin và Truyền thông góp phần to lớn vào sự phát triển của xã hội. Xã hội càng phát triển thì nhu cầu của con người ngày càng phong phú. Để đáp ứng nhu cầu đó, nhiều giải pháp công nghệ mới ra đời trong đó có sự ra đời của mạng cảm biến không dây. Ngày nay, mạng cảm biến không dây được sử dụng rất phổ biến trong các lĩnh vực: An ninh (giám sát chiến trường, theo dõi, giám sát mục tiêu), môi trường (cảnh báo động đất, cháy rừng, giám sát trong nông nghiệp, bảo vệ động vật), ứng dụng điều khiển trong các tòa nhà thông minh, điều khiển trong công nghiệp Mỗi ứng dụng của mạng cảm biến không dây bao gồm hàng trăm, hàng ngàn nút cảm biến. Nút cảm biến sử dụng nguồn năng lượng rất hạn chế đó là nguồn năng lượng pin. Các nút cảm biến hoạt động trong môi trường khắc nghiệt nên việc thay thế hay nạp lại pin cho các nút cảm biến là không thể. Do đó giảm năng lượng tiêu thụ trong mạng cảm biến không dây là vấn đề luôn được quan tâm. Nhiều loại giao thức định tuyến được phát triển để tiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong mạng cảm biến. Trong đó giao thức định tuyến theo cụm giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ nhờ việc nhóm các nút cảm biến thành cụm để thu thập và tổng hợp dữ liệu. Giao thức LEACH là một trong những giao thức định tuyến phân cụm đầu tiên. 1. ThS, Khoa CNTT, trường Đại học Quảng Nam 6GIẢI PHáP TIếT KIệM NăNG LượNG TRoNG MạNG CẢM BIếN... Giao thức này tạo sự cân bằng năng lượng giữa các nút và kéo dài thời gian sống của mạng. Mạng cảm biến không dây bao gồm các nút cảm biến với nguồn năng lượng hạn chế nhưng nó có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ phức tạp, trong đó cần có sự tương tác giữa các nút mạng. Các nút cảm biến không dây có nguồn năng lượng và phạm vi truyền sóng hạn chế. Do đó, để truyền được dữ liệu về điểm thu thập thì các nút cảm biến phải thực hiện việc chuyển tiếp các bản tin thông qua các nút lân cận của chúng. Vì vậy, các giao thức định tuyến đóng một vai trò hết sức quan trọng trong mạng cảm biến không dây. Trong thời gian qua, đã có nhiều giao thức định tuyến khác nhau được đề xuất cho mạng cảm biến không dây. Các giao thức định tuyến này có thể được phân loại thành bốn nhóm sau: Định tuyến phẳng, định tuyến phân cấp, định tuyến dựa vào thông tin vị trí và định tuyến dựa vào chất lượng dịch vụ. Trong kiến trúc phân cấp, các nút có vai trò khác nhau: các nút có năng lượng cao hơn được sử dụng để xử lý và gửi thông tin trong khi các nút có năng lượng thấp được sử dụng để cảm nhận, thu thập dữ liệu. Điều này có nghĩa là tạo ra các cụm và chỉ định các nhiệm vụ đặc biệt cho các nút chủ cụm. Mục đích chính của định tuyến phân cấp là để duy trì hiệu quả việc tiêu thụ năng lượng của các nút cảm biến bằng việc đặt chúng trong giao tiếp đa chặng trong một cụm cụ thể và bằng việc thực hiện tập trung và hợp nhất dữ liệu để giảm số bản tin được truyền đến trạm gốc. Sự hình thành các cụm chủ yếu dựa trên năng lượng dự trữ của nút và vùng lân cận của nút so với các nút chủ của cụm. Hình 1. Các giao thức định tuyến 7LÊ THỊ THANH BÌNH Trong các giao thức định tuyến phân cấp, LEACH là một giao thức được đánh giá là có nhiều ưu điểm nổi trội. LEACH thực hiện phân cấp theo cụm thích ứng năng lượng thấp để thu thập và phân phối dữ liệu tới sink. Mục tiêu chính của LEACH là kéo dài thời gian sống của mạng, giảm sự tiêu thụ năng lượng bởi mỗi nút, sử dụng tập trung dữ liệu để giảm số bản tin truyền trong mạng. 2. Nội dung 2.1. Mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây là hệ thống thu nhận dữ liệu về môi trường như ánh sáng, nhiệt độ và độ ẩm từ một mạng gồm các thiết bị cảm biến không dây công suất thấp được gọi là các nút cảm biến. Mỗi nút cảm biến được tích hợp bởi một vi điều khiển, một bộ thu phát vô tuyến, các phần tử cảm biến môi trường và nguồn nuôi. Mạng cảm biến bao gồm ba thành phần chính: trạm cơ sở, trạm người dùng và mạng các nút cảm biến (hình 1) - Trạm người dùng: đưa ra yêu cầu số liệu với trạm cơ sở và thu nhận các số liệu đã yêu cầu. - Trạm cơ sở: gửi các lệnh qua liên kết nối tiếp R232 đến cổng giao tiếp để chuyển tới mạng các nút cảm biến, nó cũng đảm nhận việc thu thập số liệu từ mạng các nút cảm biến. - Mạng các nút cảm biến: Mạng các nút cảm biến là thành phần trọng tâm của Hình 2. Mô hình mạng cảm biến không dây 8GIẢI PHáP TIếT KIệM NăNG LượNG TRoNG MạNG CẢM BIếN... hệ thống. Các nút cảm biến đảm nhận việc thu thập số liệu về môi trường và chuyển các số liệu này đến trạm cơ sở. Nó còn phải nhận các lệnh từ trạm cơ sở. Các nút cảm biến này có nhiệm vụ thu thập các thông tin cảm biến từ môi trường bao gồm ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm và truyền các số liệu này đến trạm cơ sở. Chúng truyền thông tin qua liên kết vô tuyến công suất thấp ở dải tần ISM 900 MHz. 2.2. Giao thức LEACH 2.2.1. Giới thiệu giao thức LEACH LEACH là một trong số những cách tiếp cận định tuyến phân cấp đầu tiên cho mạng cảm biến. Ý tưởng là để hình thành các cụm nút cảm biến dựa vào cường độ tín hiệu nhận và dùng các nút chủ của cụm như là các router đến các trạm gốc. Việc này sẽ tiết kiệm năng lượng vì quá trình truyền chỉ có thể thực hiện bằng các nút chủ của cụm thay cho việc sử dụng tất cả các nút cảm biến. Số lượng các nút chủ tối ưu của cụm là vào khoảng 5% tổng số lượng các nút. Trong giao thức LEACH, nhờ việc lựa chọn ngẫu nhiên một số nút làm nút chủ cụm và sau đó quay vòng vai trò nút chủ cụm cho các nút khác trong cụm, do đó việc tiêu hao năng lượng khi liên lạc với trạm gốc được trải đều cho tất cả các nút cảm biến trong mạng. Nhờ đó góp phần vào việc kéo dài thời gian sống cho mạng. Quá trình hoạt động của LEACH được chia thành hai pha là pha thiết lập và pha ổn định. Thời gian của pha ổn định kéo dài hơn so với thời gian của pha thiết lập để giảm thiểu phần. 2.2.2. Hoạt động của LEACH Hoạt động của LEACH được chia thành các vòng, mỗi vòng được bắt đầu với pha thiết lập, trong đó diễn ra quá trình chọn nút chủ và thành lập cụm. Sau pha thiết 9LÊ THỊ THANH BÌNH lập là pha ổn định, trong pha này, xảy ra quá trình truyền dữ liệu đến nút chủ và đến trạm cơ sở. Hình 4. Trạng thái ổn định của LEACH Pha thiết lập Các cụm được hình thành và các nút chủ cụm được lựa chọn. Các nút chủ được lựa chọn như sau: Mỗi nút cảm biến lựa chọn một số ngẫu nhiên giữa 0 và 1. Nếu số này nhỏ hơn ngưỡng T(n) thì nút cảm biến là nút chủ. T(n) được tính như sau: Công thức 1 Trong đó: P: tỉ lệ phần trăm mong muốn trở thành nút chủ của mạng. r: là vòng hiện tại. G: là tập các nút chưa trở thành nút chủ trong (1/P) vòng trước đó. Mỗi nút chủ cụm được lựa chọn sẽ truyền thông tin quảng bá cho các nút còn lại trong mạng bản tin thông báo rằng chúng là nút chủ cụm mới. Các nút còn lại không là nút chủ, khi nhận được bản tin quảng bá, chúng sẽ quyết định chúng thuộc về cụm của nút chủ nào. Quyết định này dựa trên độ mạnh của tín hiệu của bản tin quảng bá các nút chủ cụm phát đi mà chúng nhận được. Các nút không phải chủ cụm này sẽ thông báo cho nút chủ cụm rằng chúng sẽ thuộc về cụm nào. Sau khi các nút chủ cụm nhận được hết các thông báo của các nút thuộc về cụm của chúng, căn cứ vào số nút trong cụm, nút chủ cụm sẽ chỉ định thời gian mà các nút trong cụm gửi dữ liệu đến cho nó dựa trên TDMA. Khung 10 GIẢI PHáP TIếT KIệM NăNG LượNG TRoNG MạNG CẢM BIếN... Hình 5. Quá trình chọn nút chủ cụm Pha ổn định Các nút bắt đầu thu thập dữ liệu và gửi dữ liệu đến các nút chủ cụm. Các nút chủ cụm sẽ tích hợp dữ liệu của các nút trong cụm gửi đến trước khi gửi dữ liệu đến Trạm gốc. Sau một khoảng thời gian trong pha ổn định, mạng sẽ trở lại pha thiết lập và vào bước lựa chọn nút chủ cụm mới. Các nút có thể ngừng hoạt động ngẫu nhiên và các cụm động sẽ làm tăng thời gian sống của mạng. Tuy nhiên LEACH dùng định tuyến đơn điểm, các nút có thể truyền trực tiếp đến các nút chủ và trạm gốc. Vì thế nó sẽ không thích hợp với mạng mà triển khai trên diện rộng. Hơn nữa, ý tưởng về các cụm động đòi hỏi số lượng mào đầu lớn, ví dụ như các sự thay đổi nút chủ, quảng bá Hình 6. Hoạt động của pha ổn định trong LEACH 11 LÊ THỊ THANH BÌNH 2.3. Mô phỏng giải pháp tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến không dây sử dụng giao thức LEACH Mô phỏng này là tìm quy luật giảm năng lượng tiêu thụ trong giao thức LEACH khi phân bố mật độ nút cảm biến và khi phân cụm trong mạng cảm biến không dây. Để tiến hành mô phỏng, bài báo đã tích hợp code của MIT vào NS2 trên hệ điều hành Ubutu 9.04. Code MIT ra đời năm 2000 nó chỉ tương thích với các hệ điều hành củ như Ubuntu 9.04, Ubuntu 10.04. Những hệ điều hành mới sau này như Fedora 11, Fedora 12, code MIT không tương thích. Code MIT tích hợp vào NS nhằm hỗ trợ cho mạng cảm biến không dây về mô hình giảm năng lượng của nút cảm biến, trạng thái của nút cảm biến đồng thời nó cũng hỗ trợ tốt cho một vài giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây. Hình 7. Code MIT tích hợp vào NS 2.34 2.3.1. Kịch bản mô phỏng Mô phỏng được thực hiện trong mạng cảm biến không dây gồm các nút cảm biến được triển khai một cách ngẫu nhiên trong phạm vi 100m x 100m. Trạm cơ sở nằm ở trung tâm của khu vực triển khai với các tọa độ 50m x 50m. Kịch bản mô phỏng sử dung các đối số trong bảng 1. và được minh họa trong hình 8. 12 GIẢI PHáP TIếT KIệM NăNG LượNG TRoNG MạNG CẢM BIếN... Bảng 1. Các đối số mô phỏng Các đối số mô phỏng Giá trị Kích thước mạng 100m x 100m Địa điểm trạm cơ sở (50,50) Năng lượng ban đầu của mỗi nút 2J Thời gian mô phỏng 600s Topo mạng 100nodes.txt Hình 8. Kịch bản triển khai mạng cảm biến không dây 2.3.2. Kết quả mô phỏng Kết quả được biểu diễn bằng các đồ thị tương ứng. a. Khi số nút cảm biến thay đổi Với mạng cảm biến không dây gồm các nút cảm biến được triển khai một cách ngẫu nhiên trong diện tích có kích thước 100m x 100m. Tiến hành khảo sát hiệu quả sử dụng năng lượng tiêu thụ của giao thức LEACH khi số nút cảm biến thay đổi (10 nút, 20 nút, 30 nút, 40 nút, 50 nút, 60 nút, 70 nút, 80 nút, 90 nút, 100 nút) còn kích thước mạng cố định 100m x 100m. 13 LÊ THỊ THANH BÌNH Hình 9. Năng lượng tiêu thụ của giao thức LEACH khi thay đổi số nút Kết quả mô phỏng ở hình 9 có thể biểu diễn lại bằng bảng: Bảng 2. Kết quả mô phỏng khi số nút cảm biến thay đổi Số nút trong mạng (nút) Thời gian sống (s) 10 100 20 150 30 200 40 220 50 300 60 320 70 380 80 420 90 520 100 400 Kết quả cho thấy, với mạng cảm biến không dây được triển khai trong diện tích có kích thước 100m x 100m, năng lượng toàn mạng là 200J, thời gian sống của mạng dài nhất là 520s khi phân bố số nút mạng là 90 nút, tương ứng với mật độ mạng là 9000 nút/1km2. b. Khi số cụm thay đổi Với mạng cảm biến không dây gồm 90 nút cảm biến được triển khai một cách ngẫu nhiên trong diện tích có kích thước 100m x 100m. Tiến hành khảo sát hiệu quả sử dụng năng lượng tiêu thụ của giao thức LEACH 14 GIẢI PHáP TIếT KIệM NăNG LượNG TRoNG MạNG CẢM BIếN... khi số cụm thay đổi (1 cụm, 2 cụm, 3 cụm, 4 cụm, 5 cụm, 6 cụm, 7 cụm, 8 cụm, 9 cụm, 10 cụm) còn kích thước mạng cố định 100m x 100m. Kết quả mô phỏng ở hình 10 có thể biểu diễn lại bằng bảng: Bảng 3. Kết quả mô phỏng khi số cụm thay đổi Số cụm trong mạng (cụm) Thời gian sống (s) 1 180 2 230 3 600 4 480 5 290 6 200 7 350 8 250 9 300 10 120 Hình 10. Năng lượng tiêu thụ của giao thức LEACH khi số cụm thay đổi. 15 LÊ THỊ THANH BÌNH Kết quả cho thấy, với mạng cảm biến không dây gồm 90 nút được triển khai trong diện tích có kích thước 100m x 100m, năng lượng toàn mạng là 200J, thời gian sống của mạng dài nhất là 600s khi phân bố số cụm trong mạng là 3 cụm, tương ứng với số nút cảm biến trong một cụm là 30 nút. 3. Kết luận Kết quả mô phỏng, cho thấy, mật độ nút cảm biến và sự phân cụm trong mạng ảnh hưởng lớn đến việc tiêu thụ năng lượng. Khi mật độ nút cảm biến trong mạng quá thấp hoặc quá cao thì mức độ tiêu thụ năng lượng của giao thức LEACH trong mạng cảm biến càng lớn. Nút cảm biến từ 80 đến 100 nút tương ứng với mật độ mạng là 8000 nút/1km2 đến 10000nút/1km2 thì giao thức LEACH đạt hiệu quả về năng lượng. Khi quá ít cụm thì nút chủ cụm sẽ ở xa nút cảm biến, tiêu tốn nhiều năng lượng khi truyền dữ liệu. Khi quá nhiều cụm, nút chủ cụm xử lý quá nhiều dữ liệu từ các nút cảm biến truyền đến nên cũng tiêu tốn rất nhiều năng lượng. Với 90 nút cảm biến thì số cụm từ 3 đến 4 cụm tương ứng với số nút cảm biến trong một cụm từ 20 đến 30 nút thì giao thức LEACH đạt hiệu quả về năng lượng. Hầu hết những giao thức định tuyến được sử dụng trong mạng cảm biến không dây đều giả định rằng các nút cảm biến và trạm cơ sở là cố định. Tuy nhiên có rất nhiều ứng dụng, các nút cảm biến hoặc trạm cơ sở cần di chuyển, khi đó việc cập nhật thông tin vị trí của nút chủ cụm và nút cảm biến cũng như việc truyền thông tin đó qua mạng có thể tiêu thụ một mức năng lượng đáng kể của các nút. Vì vậy trong tương lai cần nghiên cứu những thuật toán định tuyến mới để có thể xử lý thông tin về độ di chuyển và sự thay đổi cấu hình mạng trong điều kiện hạn chế về năng lượng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Brownfield, M. I.,et al.(2006), “Cross-layer wireless sensor network radio power management”, Wireless Communications and Networking, 2(6), 1160-1165. [2] Habib, A. (2008), “ Sensor network security issues at network layer”, In Advances in Space Technologies, 2nd International Conference on IEEE,1, 58-63. [3] Alkhatib, A. A. A., & Baicher, G. S. (2012), “Wireless Sensor Network Architecture”, International Conference on Computer Networks and Communication Systems, 35, 11-15. [4] Anna Ha’c (2003), Wireless Sensor Network Designs, University of Hawaii at Manoa, Honolulu, USA, John Wiley & Sons Ltd. [5] Edgar H.Callaway Jr. (2004), Wireless Sensor Networks: Architectures and Protocols, A CRC Press Company. 16 GIẢI PHáP TIếT KIệM NăNG LượNG TRoNG MạNG CẢM BIếN... [6] W. Heinzelman, A. Chandrakasan and H. Balakrishnan (2000), Energy-efficient communication protocol for wireless microsensor networks, in Proc. of the 33rd Annual V Hawaii International Conference on System Sciences (HICSS), Maui. [7] E. Shih, S. Cho, N. Ickes, R. Min, A.Sinha, A. Wang, and A. Chandrakasan (2001), Physical layer driven protocol and algorithm design for energy-efficient wireless sensor networks, in: Proceedings of the 7thACM/IEEE Conference on Mobile Computing and Networks (MoBICoM’01), Rome, Italy. [8] o. Younis and S. Fahmy (2004), HEED: A Hybrid, Energy-Efficient, Distributed Clustering Approach for Ad Hoc Sensor Networks, IEEE Trans. Mobile Comp., vol. 3, no. 4, pp. 366–79 [9] Kazem Sohraby, Daniel Minoli, Taieb Znati (2007), Wireless Sensor Networks Technology, Protocols, and Applications, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey. [10] Mei-hong, H., Cheng-qian, X. and Dong-liang, Z (2009), The simulation and analysis of LEACH protocol Based on NS2, Electronic Measurement Technology, vol.1, Title: A SOLUTION TO SAVE ENERGY FOR WIRELESS SENSOR NETWORK BY USING LEACH PROTOCOL LE THI THANH BINH Quang Nam University Abstract: Energy efficiency is a primary concern in all fields, specially the area which has limited power sources such as wireless sensor network is an urgent issue. The article focuses on analyzing the operation of the protocol for low energy adaptive clustering hierarchy (LEACH) - one of the protocols is evaluated the energy efficiency in wireless sensor networks [6]. From there, by the simulation method, the paper has proposed the rule to reduce the energy consumes in the Leach protocol when distributing the density of sensor nodes and clusters in wireless sensor networks. Key words: Leach protocol, low energy adaptive clustering hierarchy, energy in wireless sensor networks, routing protocols.