Thạc Sĩ Nghiên cứu phát triển định tuyến tiết kiệm năng lượng cho mạng cảm biến không dây

MỤCLỤC
Trang
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 10
1.1 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 10
1.1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến không dây 10
1.1.2 Đặc điểm của cấu trúc mạng cảm biến 13
1.1.3 Kiến trúc giao thức mạng 14
1.1.4 Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến 16
1.1.4.1 Cấu trúc phẳng 16
1.1.4.2 Cấu trúc phân tầng 17
1.2 Ứng dụng mạng cảm biến không dây 19
1.2.1 Ứng dụng trong quân đội 20
1.2.2 Ứng dụng trong môi trường 21
1.2.3 Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe 22
1.2.4 Ứng dụng trong gia đình 22
1.3 Một số vấn đề thách thức kỹ thuật 22
1.3.1 Vấn đề lớp MAC 22
1.3.2 Vấn đề định tuyến 23
1.3.3 Vấn đề năng lượng 23
CHƯƠNG 2.TỐI ƯU ĐỊNH TUYẾN ĐA CHẶNG TIẾT KIỆM NĂNG
LƯỢNG
25
2.1 Các phương pháp định tuyến tiết kiệm năng lượng dựa trên kỹ thuật giảm
thiểu các gói tin dư thừa
25
2.1.1 Phương pháp định tuyến mở rộng vòng Expanding Ring Search –
ERS
26
2.1.2 Đề xuất phương pháp định tuyến mở rộng vòng giảm thiểu số nút
tham gia định tuyến – Efficient Expanding Ring Search (EERS)
30
2.1.2.1 Kỹ thuật xác định thông tin nút lân cận cách hai bước nhảy
mạng
30
2.1.2.2 Làm tràn bản tin tìm đường hiệu quả 32
2.1.2.3 Tiết kiệm năng lượng tìm kiếm mở rộng vòng 35
2.1.2.4 Lưu đồ thuật toán EERS 38
2.1.2.5 Mô phỏng và đánh giá 38
2.2 Các phương pháp định tuyến dựa vào năng lượng của nút cảm biến nhằm
nâng cao thời gian sống của mạng
43
2.2.1 Đề xuất phương pháp định tuyến dựa vào mức năng lượng các nút
cảm biến để loại bỏ tuyến đường có năng lượng thấp
43
2.2.2 Đề xuất phương pháp định tuyến dựa vào hai điều kiện để chọn
đường đi tốt nhất - Routing Dual Criterion (RDC)
49
2.2.3 Mô phỏng kết quả 51
2.3 Phương pháp định tuyến tiết kiệm năng lượng dựa trên điều khiển công
suất
56
2.3.1 Kỹ thuật điều khiển công suất 56
2.3.2 Đề xuất phương pháp định tuyến dựa trên điều khiển công suất 57
2.3.3 Mô phỏng và đánh giá kết quả 58
ii
2.4 Kết luận 65
CHƯƠNG 3.TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY ĐA CHẶNG SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP
ƯỚC ĐOÁN VỊ TRÍ CỦA ĐỐI TƯỢNG
66
3.1 Cơ sở lý thuyết toán học 66
3.1.1 Định lý xác suất Bayes 67
3.1.2 Hàm phân bố xác suất và hàm mật độ xác suất của một biến ngẫu
nhiên
67
3.1.2.1 Hàm phân bố xác suất (Probability Distribution Function) 67
3.1.2.2 Hàm mật độ xác suất (Probability Density Function) 68
3.1.3 Kỳ vọng và phương sai của biến ngẫu nhiên 68
3.1.3.1 Kỳ vọng của biến ngẫu nhiên 68
3.1.3.2 Phương sai của biến ngẫu nhiên 69
3.1.4 Hàm phân phối xác suất Gaussian – Hàm phân phối chuẩn 69
3.1.5 Tiến trình Markov 70
3.1.6 Mô hình hóa hệ thống không gian trạng thái động 70
3.1.7 Tiếp cận Bayes 71
3.1.8 Một số thuật toán theo vết dựa trên tiếp cận Bayes 73
3.2 Sơ lược về một số thuật toán dự đoán vị trí 73
3.2.1 Bộ lọc Kalman 74
3.2.2 Bộ lọc Kalman mở rộng 78
3.2.2.1 Những giới hạn của mô hình tuyến tính 78
3.2.2.2 Khai triển chuỗi Taylor 79
3.2.3 Kết luận 80
3.3 Thuật toán bộ lọc chất điểm (Particle Filter) 81
3.3.1 Các điều kiện rằng buộc của thuật toán bộ lọc chất điểm 81
3.3.2 Hướng tiếp cận của bộ lọc thuật toán bộ lọc chất điểm 82
3.3.3 Lấy mẫu quan trọng (Importance Sampling) 83
3.3.4 Lấy mẫu quan trọng tuần tự (Sequential Importance Sampling –
SIS)
84
3.3.5 Vấn đề lựa chọn hàm mật độ đề xuất 88
3.3.6 Vấn đề thoái hóa mẫu và giải pháp lấy mẫu lại (Resampling) 89
3.3.7 Thuật toán bộ lọc chất điểm tổng quát (Generic Particle Filter –
GPF)
90
3.3.8 Thuật toán lấy mẫu lại quan trọng tuần tự (Sequential Importance
Resampling – SIR)
91
3.3.9 Mô phỏng thuật toán SIR 92
3.4 Ứng dụng giám sát đối tượng trong mạng cảm biến không dây sử dụng
bộ lọc chất điểm PF
99
3.4.1 Mô hình hóa bài toán 99
3.4.2 Đề xuất phương pháp thực hiện bộ lọc chất điểm 100
3.4.2.1 Pha khởi tạo N chất điểm 100
3.4.2.2 Pha lan truyền chất điểm 101
3.4.2.3 Pha tính toán trọng số 102
3.4.2.4 Kết quả mô phỏng 103
3.5 Đề xuất mô hình giám sát theo vùng 105
iii
3.6 Mô hình giám sát toàn mạng 108
3.7 Mô phỏng và đánh giá kết quả 110
3.8 Kết luận 116
KẾT LUẬN CHUNG 117
TÀI LIỆU THAM KHẢO 124
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ 132
iv
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ABR Avoid Bad Route Định tuyến loại bỏ tuyến đường xấu
ADC Analog-to-Digital Bộ chuyển đổi tương tự số
AODV Adhoc On-demand Distance Vector Định tuyến vector khoảng cách theo
yêu cầu
AOMDV Adhoc On-demand Multipath Distance
Vector
Định tuyến vector khoảng cách đa
đường theo yêu cầu
BS Base Station Trạm gốc
CNI Collecting Neighbors’ Information Pha thu thập thông tin nút lân cận
trong giao thức định tuyến EERS
CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access/
Collision Avoidance
Cảm biến sóng mang đa truy cập/
tránh xung đột
DSR Dynamic Source Routing Định tuyến theo nguồn
EERS Efficient Expanding Ring Search Định tuyến tìm kiếm mở rộng vòng
tối ưu
EKF Extended Kalman Filter Bộ lọc Kalman mở rộng
ERS Expanding Ring Search Định tuyến tìm kiếm mở rộng vòng
GPF Generic Particle Filter Bộ lọc chất điểm tổng quát
KF Kalman Filter Bộ lọc Kalman
LEACH Low Energy Adaptive Clustering
Hierarchy
Định tuyến phân vùng tiết kiệm
năng lượng
MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập đường truyền
NS2 Network Simulator 2 Phần mềm mô phỏng mạng
PDR Packet Delivery Ratio Tỷ lệ truyền gói tin thành công
PF Particle Filter Bộ lọc chất điểm
PRP Power Control Combined with Routing
Protocol
Định tuyến dựa trên điều khiển công
suất
RDC Routing dual criterion Định tuyến hai điều kiện
RF Radio Frequency Sóng vô tuyến
RMS Root-Mean-Square Độ lệch căn phương trung bình
ROF Reducing the Overhead of Flooding Pha giảm thiểu bản tin dư thừa trong
giao thức định tuyến EERS
RREP Route Reply Bản tin trả lời chứa thông tin tuyến
đường trong định tuyến
RREQ Route Request Bản tin tìm đường
SIR Sequential Importance Resampling Lây mẫu lại quan trọng tuần tự
SIS Sequential Importance Sampling Lấy mẫu quan trọng tuần tự
TTL Time to Live Thời gian sống
WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây
v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Tham số của hàm phân phối xác suất Gaussian – giá trị kỳ vọng của biến ngẫu
nhiên X
Tham số của hàm phân phối xác suất Gaussian – giá trị phương sai của biến
ngẫu nhiên X
δ
i Hàm xung Delta
c
k Trạng thái của hệ thống tại thời điểm k
x
t Trạng thái của hệ thộng tại thời điểm t
y
t Tín hiệu đo đạc của hệ thống tại thời điểm t
g
t
Hàm chuyển tại thời điểm t
h
t Hàm quan sát tại thời điểm t
wt Nhiễu xử lý tại thời điểm t
v
t Nhiễu quan sát tại thời điểm t
u
t Đầu vào của hệ thống tại thời điểm t
ˆ
t
x

Ước lượng hậu nghiệm của x
t
ˆ
t
x

Ước lượng tiên nghiệm của x
t
t
P

Hiệp phương sai của lỗi ước lượng của
ˆ
t
x

t
P

Hiệp phương sai của lỗi ước lượng của
ˆ
t
x

Kt Ma trận hệ số khuếch đại Kalman
X Biến ngẫu nhiên của hàm phân bố xác suất
F(X) Hàm phân bố xác suất của biến ngẫu nhiên X
f(x) Hàm mật độ xác suất của biến ngẫu nhiên X
p
i
Xác suất tương ứng của các giá trị x
i
của biến ngẫu nhiên X
E(X) Kỳ vọng của biến ngẫu nhiên X
V(X) Phương sai của biến ngẫu nhiên X
M Chi phí tuyến đường
Ploss
Công suất tiêu hao
Ptx_max
Công suất truyền lớn nhất
Psen Công suât nhạy thu
Pmar
Công suất dự trữ
Ptx
Công suất truyền
LPsent Năng lượng còn lại của nút cảm biến trong thuật toán PRP
LPthr Ngưỡng năng lượng còn lạicủa nút cảm biến trong thuật toán PRP
Tc
Thời gian đợi bản tin trả lời
n Số nút cảm biến trong mạng
K Độ tăng của giá trị TTL giữa hai lần tìm kiếm trong thuật toán tìm đường mở
rộng vòng
t Thời gian hiện tại
T Mốc thời gian trong tương lai
N Số chất điểm
vi
DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2.1. Các thông số mô phỏng chung 39
Bảng 2.2. Các thông số mô phỏng AODV và PRP 59
Bảng 3.1. Ví dụ về kết quả khai triển Taylor 80
Bảng 3.2. Thông số mô phỏng ứng dụng giám sát