Tiết kiệm năng lượng cho mạng cảm biến không dây dựa trên thuật toán tối ưu hóa bầy đàn PSO cải tiến

Làm thế nào để tối ưu hóa các cụm trong việc giảm và cân bằng năng lượng tiêu thụ của các node trên toàn mạng. Do đó, một giao thức phân cụm tập trung dựa trên giải thuật tối ưu hóa bầy đàn (PSO) cải tiến được đề xuất. Nó định nghĩa một hàm thích nghi dựa trên 3 yếu tố: khoảng cách giữa các node với cụm chủ, năng lượng của cụm chủ và khoảng cách giữa cụm chủ với trạm gốc.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tiết kiệm năng lượng cho mạng cảm biến không dây dựa trên thuật toán tối ưu hóa bầy đàn PSO cải tiến KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY DỰA TRÊN THUẬT TOÁN TỐI ƯU HÓA BẦY ĐÀN PSO CẢI TIẾN Lê Văn Bé(1), Bùi Công Danh(2) (1) Trường Cao Đẳng Sư Phạm Kiên Giang, (2)Trường Đại học Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM Ngày gửi bài: 26/9/2015 Ngày chấp nhận đăng: 05/10/2015 TÓM TẮT Làm thế nào để tối ưu hóa các cụm trong việc giảm và cân bằng năng lượng tiêu thụ của các node trên toàn mạng. Do đó, một giao thức phân cụm tập trung dựa trên giải thuật tối ưu hóa bầy đàn (PSO) cải tiến được đề xuất. Nó định nghĩa một hàm thích nghi dựa trên 3 yếu tố: khoảng cách giữa các node với cụm chủ, năng lượng của cụm chủ và khoảng cách giữa cụm chủ với trạm gốc. Bên cạnh đó, giao thức đề xuất cải tiến hơn so với giao thức dựa trên giải thuật PSO truyền thống ở quá trình cập nhật tốc độ của các node. Kết quả cho thấy giao thức hiệu quả thật sự, có thể làm giảm năng lượng tiêu thụ của từng node, giảm tỉ lệ chết của các node, từ đó kéo dài thời gian sống của mạng. Từ khóa: LEACH-C, PSO, WSN ENERGY-EFFICIENT CLUSTERING PROTOCOL FOR WSN BASED ON IMPROVED PSO ABSTRACT Aiming at the problem that how to cluster all nodes with the optimization way, which can decrease the energy consumption of nodes, and balance the consumption of the entire network, a new centralized clustering protocol based on Particle Swarm Optimization(PSO) algorithm is proposed, which is compact, energy-aware and base-distance-aware. The definition of the fitness function of particle is based on three factors: the Euclidean distance between nodes and their associated cluster heads, the energy of cluster heads and the distance of cluster heads to base station. Simulation results demonstrate that the protocol can efficiently decrease the dead speed of nodes and prolong the network lifetime. Keywords: LEACH-C, PSO, WSN 1. GIỚI THIỆU Mạng cảm biến không dây (WSN: Wireless Sensor Networks) là một cấu trúc, là sự kết hợp các khả năng xử lý thông tin và các thành phần liên lạc để tạo khả năng quan sát, phân tích và phản ứng lại với các sự kiện và hiện tượng xảy ra trong môi trường cụ thể nào đó [1,2]. Những tiến bộ gần đây trong công nghệ vi cảm biến đã làm cho các cảm biến có thể được sản xuất với số lượng lớn, chi phí thấp, kích cỡ nhỏ và có thể sử dụng trong một vùng rộng lớn như môi trường quân đội, giám sát môi trường, cũng như nhiều vấn đề khác [3]. Khi nghiên cứu tổng quan về vấn đề thiết kế mạng trong WSN, có nhiều vấn đề quan trọng cần phải được xem xét như là kích cỡ nhỏ của các node cảm biến, phần cứng phức tạp và tiêu thụ năng lượng cực thấp. Trong những vấn đề đó, sự hiệu quả năng lượng nên xem xét như mục tiêu thiết kế chính yếu. Bởi vì một node cảm biến có thể chỉ được cung cấp nguồn năng lượng nhất định. Trong một vài trường hợp, việc bổ sung nguồn năng lượng là không thể vì vậy thời gian sống của một node cảm biến là phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn năng lượng cung cấp. Phân cụm là một trong những phương pháp thiết kế được sử dụng để quản lý việc tiêu thụ năng lượng hiệu quả, bằng cách tối thiểu số lượng các node tham gia trao đổi đường dài với trạm gốc và phân phối nguồn năng lượng tiêu thụ đồng đều giữa các node trong mạng [4]. Trong phương pháp này, mỗi nhóm cảm biến có một node làm cụm chủ để tập hợp dữ liệu từ cụm tương ứng của nó và gửi đến trạm gốc. Do đó, ứng dụng của phương pháp phân cụm đã làm giảm lượng thông tin cần truyền, cũng như tăng cường việc phân bố nguồn tài nguyên và TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ & THỰC PHẨM SỐ 07/2015 18 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ tái sử dụng băng thông. Trong bài viết này, chúng tôi giới thiệu một vài giao thức với mục tiêu tối đa thời gian sống của WSN bằng việc áp dụng kiến trúc mạng phân cụm. Một trong những giao thức phân cụm được biết đó là LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy). LEACH là giao thức phân cấp theo cụm thích ứng năng lượng thấp. Trong LEACH, các node tự tổ chức thành các cụm, trong đó một node sẽ đóng vai trò là node chủ cụm. Tất cả các node không phải là node chủ sẽ phải truyền dữ liệu của nó tới node chủ cụm. Node chủ cụm nhận dữ liệu từ tất cả các node thành viên trong cụm, thực hiện xử lý dữ liệu cục bộ rồi truyền tới trạm gốc [5]. Hoạt động của LEACH được chia thành các vòng. Mỗi vòng bắt đầu cùng với pha cài đặt khi mà các cụm được hình thành, sau đó đến pha ổn định khi mà các khung dữ liệu được gửi tới các node chủ và gửi tới trạm gốc. Một cải tiến của giao thức này được biết đến đó là giao thức LEACH-C [6]. Trong LEACH-C việc hình thành cụm được thực hiện khi bắt đầu mỗi vòng. LEACH-C sử dụng một giải thuật tập trung bởi trạm gốc. Trạm gốc sử dụng thông tin nhận được từ mỗi node trong suốt pha cài đặt để tìm một số xác định trước của chủ cụm và cấu hình mạng thành các cụm. Sau đó, một nhóm cụm được chọn để tối thiểu năng lượng yêu cầu cho các node không là chủ cụm, để truyền dữ liệu của nó đến chủ cụm tương ứng. Khi so sánh hiệu năng của LEACH và LEACH-C thì LEACH-C tốt hơn LEACH [7], bởi vì nó cải tiến việc hình thành cụm bằng trạm gốc. Hơn nữa, số lượng chủ cụm trong mỗi vòng của LEACH-C là bằng với giá trị tối ưu mong muốn. Trong khi đó, đối với LEACH, điều này không thực hiện được. Do đó thiếu sự hợp tác toàn cục giữa các node. Một giao thức khác, với mục đích nâng cao thời gian sống của mạng là giao thức PEGASIS [8]. PEGASIS sử dụng thuật toán tham lam để tổ chức các node thành một vòng, trong đó mỗi node truyền và nhận dữ liệu chỉ từ một lân cận của nó. Trong mỗi vòng, một node sẽ được chọn ngẫu nhiên từ các node để truyền dữ liệu tổng hợp về trạm gốc và giảm số lượng node liên lạc trực tiếp với trạm gốc. Trong bài viết này, chúng tôi xây dựng các cụm để kéo dài thời gian sống của toàn mạng bằng việc dựa trên giải thuật PSO cải tiến. Giao thức đề xuất của chúng tôi sử dụng các node có mức năng lượng cao sẻ trở thành cụm chủ và phân bố các cụm điều khắp trong toàn mạng. Ý nghĩa chính trong giao t ...