Các giải thuật phân cụm cho mạng cảm biến không dây không đồng nhất (P2)

Các giao thức phân cụm để kéo dài giai đoạn ổn định

Các giao thức này giúp kéo dài giai đoạn ổn định của HWSN. Giai đoạn ổn định là khoảng thời gian từ khi mạng bắt đầu hoạt động tới khi có một nút cảm biến "chết“. Giai đoạn này rất quan trọng cho những ứng dụng yêu cầu thông tin từ cảm biến phải tin cậy. Một số các giao thức thuộc dạng này là: SEP, EDFCM, REECR, DECP, FZCP.

-SEP: Giao thức lựa chọn ổn định cho HWSNphân cụm

SEP là giao thức nhận thức được sự không đồng nhất trong mạng, nó không yêu cầu việc chia sẻ thông tin về năng lượng nhưng lại dựa trên xác suất lựa chọn có trọng số được gán của từng nút để chọn CH. Bằng cách sử dụng phương pháp này, CH đảm bảo là được lựa chọn ngẫu nhiên dựa vào tỷ số năng lượng của mỗi nút và đảm bảo là năng lượng mỗi nút sẽ được sử dụng đều. Trong SEP có xét đến hai loại nút là nút thường và nút cải tiến. SEP sử dụng những tham số không đồng nhất: tỷ lệ của nút cải tiến và yếu tố năng lượng gia tăng giữa nút cải tiến và nút thường. Khi xét đến giới hạn cân bằng của sự tiêu thụ năng lượng thì rõ ràng là nút cải tiến sẽ có cơ hội trở thành CH cao hơn so với nút thông thường do năng lượng của nó lớn hơn.

Sau SEP có rất nhiều nghiên cứu mở rộng và cải tiến, ví dụ như giao thức EM-SEP với mục tiêu là kéo dài giai đoạn ổn định của mạng bằng cách duy trì sự cân bằng trong việc tiêu thụ năng lượng. Nút cải tiến có năng lượng cao hơn sẽ có xác suất để trở thành nút chủ lớn hơn. Thêm nữa, EM-SEP tính đến số lượng nút liên kết tới mỗi cụm chủ và nếu có hơn một nút cảm biến có thể trở thành cụm chủ trong một vòng thì nút có năng lượng lớn hơn sẽ được chọn [5].

-Giao thức lựa chọn ổn định mới và truyền thông tin cậy cho HWSN phân cụm

EDFCM được đề xuất khi áp dụng mô hình không đồng nhất tính toán và năng lượng cho HWSN có sự quản lý phân cụm và dự báo tiêu thụ năng lượng cho HWSN. Giải thuật này cân bằng năng lượng tiêu thụ trong từng vòng và sẽ đảm bảo giai đoạn ổn định cho mạng là lâu nhất. Hình 4 cho thấy mô hình không đồng nhất với ba loại nút, loại 1 hình tròn, loại 2 hình tam giác và loại quản lý hình sao. Loại 1, 2khác nhau về khả năng cảm biến, năng lượng và phần mềm. Chúng có nhiệm vụ cảm nhận sự kiện, còn nút quản lý thực hiện việc quản lý cả hai loại nút trên trong quá trình hình thành cụm. Không như các giao thức hiệu quả năng lượng khác, tiến trình lựa chọn CH trong EDFCM dựa trên phương thức dự báo năng lượng đơn bước. Nó sử dụng mức năng lượng tiêu thụ trung bình của hai loại CH trong vòng trước đó cho mục đích này. Năng lượng còn lại của nút càng nhiều sau vận hành của vòng kế tiếp thì nút càng có cơ hội trở thành CH. Theo giao thức này, hoạt động của mạng có thể chia thành hai pha là pha tạo cụm và pha thu thập dữ liệu. Pha tạo cụm tương tự như trong LEACH, chỉ có 2 điểm khác biệt: Xác suất lựa chọn là hàm có trọng số; Đảm bảo số lượng CH ổn định ở mỗi vòng.

-Giao thức định tuyến để cân bằng năng lượng tiêu thụ trong HWSN

Giải thuật REECR dựa trên năng lượng còn lại và tốc độ tiêu thụ năng lượng. Giao thức áp dụng giải thuật này không hoàn thiện ở khía cạnh cân bằng năng lượng và ổn định mạng, vì vậy cần xét đến bài toán là CH có thể quá gần hay quá xa BS, khi đó cân bằng năng lượng tiêu thụ là công việc rất khó và dẫn đến sự bất ổn của mạng. Để giải quyết bài toán này, giải pháp dựa trên vùng có tên là ZREECR được đề xuất. Giao thức này chia mạng thành các vùng có kích thước cố định, phụ thuộc vào khoảng cách và hướng từ BS (Hình 5).

Có 12 vùng cố định, các cụm gần BS được kỳ vọng là có kích thước cụm nhỏ hơn vì những CH ở đây phải chuyển tiếp thêm phần dữ liệu từ các CH ở xa hơn. Bằng cách này CH ở gần sẽ tiết kiệm năng lượng đáng kể cho việc xử lý dữ liệu nội cụm cũng như lưu lượng chuyển tiếp giữa các cụm.

-DECP: Giao thức phân cụm bầu cử phân tán cho HWSN

DECP được đề xuất cho HWSN hai mức để kéo dài giai đoạn ổn định. DECP lựa chọn CH dựa trên năng lượng còn lại và giá truyền thông. Giao thức này dựa trên APD (phân biệt năng lượng trung bình) để đánh giá mức năng lượng của các nút. Điều này có nghĩa là nút có năng lượng còn lại cao hơn sẽ có nhiều cơ hội trở thành CH hơn. Trong quá trình phân cụm, tất cả các nút quảng bá thông tin về năng lượng hiện tại và đồng thời thu nhận các bản tin về năng lượng từ các nút khác. Khi nút có đủ thông tin về các nút lân cận như khoảng cách và năng lượng, nút sẽ tính giá truyền thông và quảng bá tới các nút lân cận của nó. CH sẽ được lựa chọn dựa trên giá tối thiểu. Các nút không phải là CH sẽ chọn CH gần nhất để tham gia vào cụm. Giao thức này có khoảng ổn định tốt và không cần có kiến thức về năng lượng của toàn mạng.

-FZCP: Giao thức phân cụm vùng cố đỉnh dựa trên năng lượng còn lại và phân bố nút trong HWSN

FZCP là giao thức được đề xuất với các vùng phân cụm được xác định trước và các cụm chủ được lựa chọn dựa vào năng lượng còn lại và chi phí năng lượng mong đợi. Mỗi cụm chỉ có một cụm chủ. Kết quả mô phỏng cho thấy FZCP có thể kéo dài thời gian ổn định trước khi có nút chết tốt hơn các giải thuật EDFM, SEP và LEACH [6].

KẾT LUẬN

Mạng cảm biến không dây không đồng nhất phù hợp hơn với các ứng dụng thực tế so với mạng đồng nhất, mạng này có kiến trúc và hoạt động phức tạp hơn với ít nhất hai loại nút cảm biến có sự khác biệt về năng lượng và năng lực. Phân cụm là kỹ thuật để làm giảm sự tiêu thụ năng lượng, cung cấp tính ổn định cho mạng HWSN. Bài báo khảo sát một số giải thuật phân cụm được sử dụng trong các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây không đồng nhất, chúng được chia thành hai loại dựa vào tính hiệu quả trong việc sử dụng năng lượng và khả năng kéo dài thời gian ổn định của mạng.

Tài liệu tham khảo

[1]. VIVEK KATIYAR, NAROTTAM CHAND, SURENDER SONI, Clustering Algorithms for Heterogeneous Wireless Sensor Network: A Survey, International Journal of Applied Engineering Research, Dindigul, Volume 1, No 2, 2010, pp 273-287.
[2].M. YARVIS, N. KUSHALNAGAR, H. SINGH et al, Exploiting heterogeneity in sensor networks, 24 Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies, IEEE INFOCOM 2005, pp 878-890 vol. 2.
[3].D. KUMAR, T. S. ASERI, R. B. PATEL, EEHC: Energy efficient heterogeneous clustered scheme for wireless sensor networks, International Journal of Computer Communications, Elsevier, 2008, 32(4): 662-667, March 2009.
[4]. M. S. JAHAN, A. SALI, B. AZARBAD et al, Energy effcient geographical and power based clustering algorithm for heterogeneous wireless sensor networks, 17th Asia-Pacific Conference on Communications (APCC), 2011, pp 826 - 831.
[5]. A. A. MALLUH , K. M. ELLEITHY , Z. QAWAQNEH , R. J. MSTAFA, A. ALANAZI, EM-SEP: An efficient modified stable election protocol, 2014 Zone 1 Conference of the American Society for Engineering Education (ASEE Zone 1), pp 1 - 7 .
[6]. WU JIUJIU, WU YUANMING, HU YANQI, FZCP: A Fixed Zone Clustering Protocol Based on Residual Energy and Nodes Distribution in Heterogeneous Wireless Sensor Networks, 7th International Conference on Wireless Communications, Networking and Mobile Computing (WiCOM), 2011, pp 1-5.

Nguyễn Thị Thu Hằng