Tìm kiếm tài liệu miễn phí

Tối ưu hóa vùng phủ sóng của mạng cảm biến không dây bằng thuật toán Voronoi trong môi trường 3D

Bài viết Tối ưu hóa vùng phủ sóng của mạng cảm biến không dây bằng thuật toán Voronoi trong môi trường 3D trình bày mạng cảm biến không dây (WSN) được nhiều nhóm tác giả quan tâm. Một số phương pháp tối ưu hóa vùng phủ sóng của mạng cảm biến không dây được đề xuất để nâng cao hiệu quả triển khai mạng cảm biến do đó làm tăng độ phủ sóng, nhưng hầu hết được xây dựng trên mô hình 2D, mà thường xa rời với thực tế,... Mời các bạn cùng tham khảo.



Đánh giá tài liệu

0 Bạn chưa đánh giá, hãy đánh giá cho tài liệu này


  • 5 - Rất hữu ích 0

  • 4 - Tốt 0

  • 3 - Trung bình 0

  • 2 - Tạm chấp nhận 0

  • 1 - Không hữu ích 0

Mô tả

TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT Tập 6, Số 2, 2016 187–196

187

TỐI ƯU HÓA VÙNG PHỦ SÓNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG
DÂY BẰNG THUẬT TOÁN VORONOI TRONG MÔI TRƯỜNG 3D
Đặng Thanh Hảia*, Lê Trọng Vĩnhb
a

b

Khoa Công nghệ Thông Tin, Trường Đại học Đà Lạt, Lâm Đồng, Việt Nam
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội, Việt Nam
Nhận ngày 04 tháng 01 năm 2016 | Chấp nhận đăng ngày 16 tháng 03 năm 2016

Tóm tắt
Trong những năm gần đây mạng cảm biến không dây (WSN) được nhiều nhóm tác giả quan
tâm. Một số phương pháp tối ưu hóa vùng phủ sóng của mạng cảm biến không dây được đề
xuất để nâng cao hiệu quả triển khai mạng cảm biến do đó làm tăng độ phủ sóng, nhưng
hầu hết được xây dựng trên mô hình 2D, mà thường xa rời với thực tế. Trong bài báo này
chúng tôi mở rộng thuật toán Voronoi để triển khai các cảm biến trong môi trường 3D mà
ở đó có nhiều vật cản làm ảnh hưởng đến khả năng phủ sóng của mạng cảm biến không
dây.
Từ khóa: 3D; Mạng cảm biến không dây (WSN); Phủ sóng; Voronoi; Vật cản.

1.

GIỚI THIỆU
Mạng cảm biến không dây (WSN) bao gồm một số các điểm cảm biến, các điểm

cảm biến này có khả năng cảm nhận môi trường, thu thập dữ liệu, xử lý dữ liệu và giao
tiếp với nhau. Dữ liệu sau đó được chuyển về trung tâm xử lý, phân tích tạo ra các thông
tin hữu ích hỗ trợ ra quyết định của các chương trình ứng dụng khác nhau [1]. Hiện nay
mạng cảm biến không dây được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau: giám sát môi
trường, cảnh báo cháy rừng, cảnh báo có sự tấn công, giám sát trong các địa hình phức
tạp như trong lòng đại dương, hang động, các đường hầm trong mỏ,… Tùy thuộc vào
loại ứng dụng mạng, cũng như bản chất và các điều kiện môi trường có ảnh hưởng đến
hiệu quả và chi phí của mạng cảm biến không dây thì các kỹ thuật và phương pháp khác
nhau được sử dụng để phát hiện và theo dõi các hiện tượng trong môi trường một cách
hiệu quả.

*

Tác giả liên hệ: Email: haidt@dlu.edu.vn

TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT [ĐẶC SAN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN]

188

Việc triển khai mạng cảm biến cần đảm bảo tối đa vùng phủ sóng nghĩa là phạm
vi cần quan sát. Phạm vi phủ sóng đã được nghiên cứu rất kỹ trong môi trường 2D
[1][2]. Gần đây, vấn đề này đã được mở rộng sang môi trường 3D vốn gần gũi với thực
tế hơn cũng đã được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm [3][4]. Tuy nhiên đây cũng là bài
toán phức tạp vì trong môi trường thực tế tồn tại rất nhiều vấn đề ví dụ như có tòa nhà là
chướng ngại vật ngăn cản việc phủ sóng của các cảm biến, có sông hồ mà ở đó không
thể đặt được các cảm biến. Vậy mục tiêu đặt ra là tìm kiếm một giải pháp triển khai các
cảm biến trong môi trường 3D đạt hiểu quả tức là các cảm biến không được đặt vào
vùng cấm đồng thời phải đảm bảo khả năng phủ sóng của toàn mạng cảm biến hiệu quả
nhất.
Một thuật toán Voronoi-Base được đề xuất triển khai trong môi trường 2D rất
hiệu quả nhờ vào tính di chuyển được của các cảm biến [11]. Trong bài viết này chúng
tôi đề xuất một cải tiến thuật toán Voronoi-Base để triển khai được các biến trong môi
trường 3D với sự tồn tại của các chướng ngại vật mà vẫn đảm bảo được khả năng phủ
sóng của toàn mạng cảm biến một cách hiệu quả. Phần còn lại của bài viết được tổ chức
như sau. Phần 2 trình bày các phương pháp triển khai mạng cảm biến không dây. Phần 3
trình bày mô hình mạng cảm biến và thuật toán Voronoi cải tiến trong môi trường 3D.
Kết quả thực nghiệm sẽ được trình bày trong phần 4. Cuối cùng, kết luận và hướng phát
triển trong tương lai được đưa ra trong phần 5.
2.

CÁC PHƯƠNG PHÁP TRIỂN KHAI MẠNG CẢM BIẾN

2.1.

Mô hình phủ sóng của mạng cảm biến trong không gian 2D và 3D
Một mạng cảm biến được xem là có hiệu quả hay không, một trong các yếu

được xem xét đó chính là khả năng thu thập thông tin và truyền dẫn dữ liệu về nút trung
tâm để xử lý. Việc thu thập thông tin của mạng cảm biến phụ thuộc vào phạm vi phủ
sóng cảm biến của toàn mạng đối với vùng mục tiêu và đặc biệt trong môi trường thực
tế 3D có các vật cản làm ảnh hưởng đến phạm vi phủ sóng của mạng cảm biến.
Một mạng cảm biến không dây là một tập hợp các điểm cảm biến trong không
gian Euclide, và mỗi điểm cảm biến có một phạm vi cảm nhận thông tin như Hình 1a.
Mục tiêu là thiết kế phương án triển khai các điểm cảm biến trong không gian phủ sóng

189

TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT [ĐẶC SAN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN]

để đảm bảo vùng phủ sóng được nhiều nhất hay giảm thiểu không gian hố phủ sóng [5].
Hố phủ sóng là những vùng trong không gian cần phủ sóng mà không được bao phủ bởi
bất kỳ một cảm biến nào của mạng cảm biến.

(a)

(b)

Hình 1. Mô hình phủ sóng của cảm biến trong 2D và 3D
Các phương pháp tính toán khả năng phủ sóng của mạng cảm biến đã được đề
xuất [6][7]. Đặc biệt đã có đã có những nghiên cứu mở rộng mô hình tính toán khả năng
phủ sóng trong môi trường 3D có sử dụng khái niệm khả năng tầm nhìn giữa cảm biến
và vùng cần phủ sóng (line of sights) như Hình 1b.[8][9].
2.2.

Các phương pháp tối ưu triển khai mạng cảm biến trong 2D
Một số phương pháp tối ưu triển khai mạng cảm biến được đề xuất là phát hiện

ra và làm giảm các hố phủ sóng do đó nó sẽ làm tăng vùng phủ sóng của các cảm biến
trong mạng cảm biến không dây. Một trong các phương pháp tối ưu tăng cường khả
năng phủ sóng của mạng cảm biến được tiếp cận dựa trên khái niệm về tính di động của
các cảm biến. Các phương pháp này sử dụng cấu trúc hình học để phát hiện ra các hố
phủ sóng rồi di chuyển các cảm biến để làm tăng vùng phủ sóng của toàn mạng, sơ đồ
Voronoi và Delaunay Triangulation được ứng dụng vào phương pháp này và mang lại
kết quả tốt [10][11].
Trong khái niệm sơ đồ Voronoi, ứng với mỗi điểm cảm biến sẽ xác định được
một ô lưới Voronoi. Tất cả các điểm trong ô lưới của Voronoi được xem gần nhất với
điểm cảm biến trong ô đó. Như vậy sau khi xây dựng xong sơ đồ Voronoi của tất cả
cảm biến của mạng cảm biến không dây thì sẽ xác định được vùng phủ sóng của toàn

TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT [ĐẶC SAN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN]

190

mạng cảm biến như Hình 2. Nếu một điểm trong ô lưới Voronoi không được phủ sóng
bởi điểm cảm biến của ô lưới đó thì nó cũng không được phủ sóng bởi bất cứ điểm cảm
biến nào trong mạng và kết quả sinh ra các hố phủ sóng trong không gian cần phủ sóng
của mạng cảm biến không dây.

Hình 2. Các hố phủ sóng hình thành khi
xây dựng sơ đồ Voronoi

Hình 3. Chiến lược VOR đẩy các cảm
biến để đạt độ phủ sóng tối đa

Nếu dựa vào tính di chuyển được của các cảm biến thì việc di chuyển này có khả
năng phủ sóng được các hố phủ sóng đã nêu ở trên. Ba chiến lược di chuyển cảm biến
trong sơ đồ Voronoi được đề xuất [11] đó là: Vector-Based (VEC), MiniMax, và
Voronoi-Based (VOR). Tất cả các chiến lược này đều cải thiện tăng khả năng vùng phủ
sóng của toàn mạng cảm biến bằng cách lặp đi lặp lại việc di chuyển các cảm biến trong
mạng.
Thuật toán VOR là một chiến lược đẩy các cảm biến nội bộ trong ô lưới Voronoi
về hướng có đỉnh xa nhất làm tăng khả năng phủ sóng của các cảm biến như Hình 3.
Thuật toán VOR là thuật toán tham nên có thể làm giảm kích thước hố phủ sóng lớn
nhất, nhưng sau mỗi lần di chuyển các cảm biến thì một hố phủ sóng mới có thể được
tạo ra, mà hố phủ sóng này có thể bao phủ bởi việc di chuyển cảm biến ngược lại trong
vòng lặp tiếp theo. Để khắc phục việc một cảm biến mới được di chuyển đi sau đó lại di
chuyển trở lại trong lần lặp kế tiếp như đã thảo luận thì một điều kiện được bổ sung vào
thuật toán là không cho phép bất cứ một cảm biến nào di chuyển ngược lại ngay lần lặp
kế tiếp tức là trước khi một cảm biến di chuyển thuật toán kiểm tra quỹ đạo di chuyển
của cảm biến có di chuyển trái ngược lại với lần lặp trước đó không? Nếu có thì việc di

TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT [ĐẶC SAN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN]

191

chuyển này sẽ dừng lại tại lần lặp này và hố phủ sóng đang đề cập sẽ được phủ sóng bởi
cảm biến lân cận đó. Mặt khác việc di chuyển các cảm biến làm biến đổi hình dạng các
ô lưới Voronoi mà có thể làm giảm diện tích phủ sóng của mạng cảm biến. Do đó thuật
toán cần thêm điều kiện là khi di chuyển cảm biến đến các điểm mục tiêu thì cần phải
đảm bảo làm tăng kích thước vùng phủ sóng trong từng ô lưới Voronoi và trong trường
hợp điều kiện này không được đảm bảo thì vị trí mới của cảm biến chính là trung điểm
giữa vị trí hiện hành và điểm mục tiên cần chuyển đến.
3.

MÔ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN VÀ THUẬT TOÁN VORONOI CẢI TIẾN
TRONG MÔI TRƯỜNG 3D

3.1.

Mô hình mạng cảm biến trong môi trường 3D
Mô hình hóa một mạng cảm biến không dây trong môi trường 3D với các vật

cản trong môi trường như sau:


Gọi T là một địa hình DEM (Digital Elevation Model) là một ma trận mà
các giá trị đại diện cho độ cao của điểm ô lưới.



o

cellsize : kích thước ô lưới

o

nrows, ncols : số hàng và số cột của ma trận

WSN  s 1 , s 2 ,..., s N  là một mạng cảm biến gồm N các cảm biến sj,
 j  1, N  ,

sj 

là một bộ gồm các thành phần :

x

j



, y j , h j , r j ,  j  1, N 

Trong đó:



o

x

o

hj là độ cao của sj tại x j , y j 

o

r j là bán kính của cảm biến

j

,yj

 là tọa độ của sj trong Oxy.

sj

R  r1 , r2 ,..., rH  là tập các vật cản trong mô trường

(1)

Tài liệu cùng danh mục Quản trị mạng

Bước đột phá mới của Firefox?

Với hàng loạt cải tiến tập trung vào các mảng giao diện, tính năng và tốc độ trong lần cải thiện này, phiên bản chính thức tiếp theo của trình duyệt do hãng Mozilla phát triển này đang ngày một thành hình. Giao diện: Đẹp và tương tác tốt hơn Trong bản thử nghiệm này, các nút công cụ được điều chỉnh hợp lý và tinh giản hơn trước. Hai nút hay được sử dụng nhất trên thanh công cụ là Back và Fordward đã được làm nổi bật so với những nút khác nhờ một giao diện 3D khá đẹp mắt. Nút...


Chapter 7: Các khái niệm cơ bản về Wireless

Mô tả các thành phần và hoạt động của mạng LAN không dây cơ bản cấu trúc liên kết cấu trúc liên kết. Mô tả các thành phần và hoạt động của cơ sở y an ninh mạng LAN không dây. Cấu hình và xác minh truy cập cơ bản mạng LAN không dây. Cấu hình và khắc phục sự cố khách hàng truy cập không dây.


Network Access Control For Dummies

Welcome to Network Access Control For Dummies. It's a scary networking world out there, and this book provides you with a working reference for understanding and deploying what type of network access control (NAC) is best suited for your network and you. Because you're holding this book, you already know that security issues exist out there — and you've probably, maybe frantically, attempted to protect the network you're responsible for from the scenarios that get printed on the front page....


Giáo trình hình thành hệ thống kết nối trong giao thức kết tuyến chuẩn IETF p6

Tham khảo tài liệu 'giáo trình hình thành hệ thống kết nối trong giao thức kết tuyến chuẩn ietf p6', công nghệ thông tin, quản trị mạng phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả


Tìm hiểu giao thức định tuyến vector - phần 6

Sơ đồ luận lý là sơ đồ cấu trúc mạng nhưng không mô tả chính xác các chi tiết lắp đặt đường cáp. Sơ đồ luận lý chỉ là sơ đồ đường đi cơ bản của LAN bao gồm những thành phần sau: • Xác định vị trí đặt MDF và IDF • Ghi lại loại cáp và số lượng sử dụng để kết nối các IDF và MDF • Ghi lại số lượng cáp để dành để tăng băng thông giữa các tủ nối dây.


Cracking part 12

Tài liệu hướng dẫn làm cracking phần 12


Bài giảng Mạng máy tính và hệ thống thông tin công nghiệp: Chương 3.2 - Đào Đức Thịnh

Bài giảng Mạng máy tính và hệ thống thông tin công nghiệp chương 3.2 trình bày các nội dung chính như: Môi trường truyền dẫn và chuẩn vật lý, cáp hai dây không xoắn, cáp hai dây xoắn, cáp hai dây xoắn, cáp quang,... Mời các bạn cùng tham khảo để nắm bắt các nội dung chi tiết.


Roaming in Wireless Networks

Mobility is the key to the success of wireless networks. Roaming has extended the definition of mobility beyond the technology, network, and country boundaries. Is not it fascinating to make or receive calls anywhere in the world using the same phone and identity? International roaming is already proven to be one of the most popular features of today’s wireless network. With the advent and widespread deployment of GSM technology, the mobile users have flexibility to use services in more than 500 networks. Inter-standard roaming has also made significant progress in recent years. Roaming capability in GPRS and 3G networks is progressively being implemented. The convergence of wireless mobility with Wi-Fi/WiMax...


Computer Networking - Chương 4 Lớp Network

chuyển các đoạn từ host gửi đến host nhận bên gửi sẽ đóng gói các đoạn vào trong các datagram bên nhận sẽ chuyển các đoạn cho lớp transport các giao thức lớp network trong mọi host, router Router sẽ xem xét các trường header trong tất cả các IP datagram đã được chuyển cho nó


Bài giảng Khai thác mạng thông tin máy tính - Phạm Quang Quyền

Bài giảng Khai thác mạng thông tin máy tính do GV. Phạm Quang Quyền biên soạn trình bày về các nội dung: khái niệm cơ bản về mạng thông tin máy tính, tìm tin trực tuyến, Internet và khai thác thông tin trên mạng,... Để biết rõ hơn về nội dung chi tiết, mời các bạn cùng tham khảo.


Tài liệu mới download

Từ khóa được quan tâm

Có thể bạn quan tâm

Đề thi cuối kì verilog hdl
  • 13/05/2011
  • 25.259
  • 722
Hacking Security Sites part 34
  • 16/09/2010
  • 21.337
  • 993
Internetworking with TCP/IP- P41
  • 01/11/2010
  • 21.228
  • 958
Hướng dẫn tạo User Skype
  • 14/06/2010
  • 43.038
  • 393

Bộ sưu tập

Danh mục tài liệu