Đánh giá vấn đề năng lượng trong mạng cảm biến không dây

Năng lượng để hoạt động cho một mạng cảm biến không dây là cực kì quan trọng,khi việc tiếp nhiên liệu là vô cùng khó khăn, em thấyvấn đề tìm hiểu năng lượng trongmột mạng cảm biến không

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Một ví dụ về mạng cảm biến không dây theo dõi lượng mưa

Hình 1 2 Biểu tượng của mạng như mô hình trênHình 1 3 Thiết bị “mote” của BerkeleyHình 1 4 Mô hình các nude cảm biến trong vùng cảm biến phân tán

Hình 1 5 Giao thức ngăn xếp của mạng cảm biếnHình 1 6 Các thành phần của nút Sensor

Hình 1 7 Kịch bản triển khai mạng cảm biến không dây theo dõi ô nhiễm hoá học trong thực tế

Hình 1 8 Kịch bản mạng cảm biếnHình 1 9 Hệ thống mạng Ad-hocHình 2 1 Hiệu quả năng lượng trong định tuyến

Hình 2 2 Ví dụ về tập hợp số liệuHình 2 3 Giao thức SPINHình 2 4 Ví dụ về truyền tin định hướng

Hình 3 1 Tổng quan về NS-2 dưới góc độ người dùngHình 3 2: Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong NS

Hình 3 3 Tính đối ngẫu giữa C++ và TclHình 3 4 Kiến trúc tổng quan của NS-2Hình 3 5 Sơ đồ bổ sung và chỉnh sửa trong NS-2Hình 3 6 Đồ thị suy hao năng lượng của các nodeHình 3 7 Đồ thị tốc độ giảm năng lượng của mạng khi nhận dữ liệu

Hình 3 8 Đồ thị tốc độ giảm năng lượng của mạng khi nhận gửi dữ liệuHình 3.9 Đồ thị thể hiện tốc độc giảm năng lượng hoạt động xử lý trong nút mạngHình 3.10 Năng lượng tiêu tốn trong quá trình hoạt động của nút mạng khi gói tin bị mất

Hình 3.11 Tổng năng lượng tiêu tốn của các nút

LỜI MỞ ĐẦU

Đất nước ta ngày càng hội nhập vào nền kinh tế thế giới, khoa học kỹ thuật côngnghệ thông tin ngày càng phát triển nhanh chóng từng ngày, đặc biệt công nghệ vimạch điên tử và viễn thông đặc biệt là trong lĩnh vực vô tuyến đã đem lại nhiều ứngdụng mới, cho phép chúng ta có thể dễ dàng thu thập thông tin ở bất kỳ điều kiện vàvùng địa lý nào Công nghệ cảm biến không dây “Wireless Sensor Network” hẳn đãđược biết đến nhiều nó tạo nên những ứng dụng thật sự là quan trọng, phục vụ trựctiếp và trong đời sống sản xuất Có nhiều phương pháp khác nhau cho phép chúng tathu thập thông tin, trong đó mạng Wireless Sensor hiện đang được dùng phổ biến trênthế giới và đang dần được áp dụng rộng dãi trong đời sống, sản xuất thay thế conngười trong những môi trường đặc thù, độc hại

Năng lượng để hoạt động cho một mạng cảm biến không dây là cực kì quan trọng,khi việc tiếp nhiên liệu là vô cùng khó khăn, em thấyvấn đề tìm hiểu năng lượng trongmột mạng cảm biến không dây là một đề tài hay và nhiều vấn đề để tìm hiểu vậy nên

em chọn đề tài này:

“ Đánh giá vấn đề năng lượng trong mạng cảm biến không dây”

Mục đích của đồ án này là tìm hiểu các vấn đề liên quan tới năng lượng trongmạng Wireless Sensor, từ đó đưa ra các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong mạng vàtận dụng các nguồn năng lượng sạch trong tự nhiên

Đồ án gồm 4 chương:

- Chương I : Tổng quan về mạng cảm biến không dây

- Chương II : Năng lượng trong mạng cảm biến không dây

- Chương III : Mô phỏng và đánh giá mạng cảm biến không dây

Mặc dù đã rất cố gắng nhưng chắc chắn các vấn đề nêu ra trong phạm vi đồ án nàychưa thể hoàn chỉnh Nội dung của đồ án vẫn còn các vấn đề cần phải xem xét thêm vàkhông thể tránh khỏi những sai sót Do còn hạn chế về kiến thức và năng lực nên đồ ánkhông tránh khỏi thiếu sót Mong được sự góp ý của thầy cô và bạn bè

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN

KHÔNG DÂY1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) bao gồm một tập hợp cácthiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quanghọc) để phối hợp thực hiện các nhiệm vụ cảm biến phân tán về đối tượng mục tiêu.Các thiết bị cảm biến không dây (Sensor) được kết nối thành mạng kết hợp với nhau

để thực hiện các nhiệm vụ trên quy mô lớn Thông tin thu được từ một nút cảm biến sẽđược truyền về một trạm gốc (base station hay gateway) thông qua các nút cảm biếnkhác, và cuối cùng thông qua Internet truyền về trung tâm dữ liệu để lưu trữ, phân tích

và xử lý

Hình 1 1 Một ví dụ về mạng cảm biến không dây theo dõi lượng mưa

Mạng cảm biến không dây là một trong những công nghệ thông tin mới phát triểnnhanh chóng nhất, với nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: điều khiển quá trình côngnghiệp, bảo mật và giám sát, cảm biến môi trường, kiểm tra sức khỏe…

Hình 1 2 Biểu tượng của mạng như mô hình trên

Các mạng vô tuyến khác bao gồm mạng cellular, mạng WLAN, và mạng phạm vi

ở nhà (Bluetooth) Các gói chuyển từ mạng này qua mạng khác sẽ được hỗ trợ internetkhông dây Mạng cellular đích đến là tại những người sử dụng với tính di động cao.Tốc độ dữ liệu cho tính di động tại mức này bị giới hạn do dịch tần Doppler Mặt khác,WLAN có tốc độ dữ liệu cao Bluetooth và Home RF đích đến là tại nhà Tốc độ dữliệu mong muốn có dải radio thấp hơn và ngắn hơn nhiều, tính di động cũng thấp.Một nút cảm biến thông thường bao gồm các thành phần sau: Bộ vi xử lý nhỏ và

sử dụng năng lượng ít (low power processor); Bộ nhớ (Memory); Radio để truyền dữliệu không dây; nguồn điện/pin (power source); và các bộ cảm biến (sensors)

Mạng cảm biến không dây (WSN) được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vựcnhư: giám sát kết cấu của công trình (cầu, tòa nhà ); theo dõi cuộc sống của các loàithú hoang dã; cảnh báo cháy rừng; phát hiện rò rỉ hóa chất trong các nhà máy; giám sátcác tòa nhà thông minh…

Các nhà nghiên cứu ở Berkeley đã phát triển các thiết bị mạng cảm nhận khôngdây, gọi là các hạt bụi “motes”, nó được tạo thành một cách công khai, sẵn sàng đểthương mại hóa, cùng với TinyOS một hệ điều hành kết nối nhúng để có thể dễ dàng

sử dụng thiết bị này Hình dưới minh họa 1 thiết bị “mote”của Berkeley Sự tiện íchcủa các thiết bị này cũng như một chương trình dễ sử dụng, hoạt động đầy đủ, với giátương đối rẻ, cho các thí nghiệm và triển khai thực tế đã mang lại một vai trò đầy đủtrong cuộc cách mạng vàng của mạng cảm nhận không dây

Hình 1 3 Thiết bị “mote” của Berkeley

1.2 Cấu trúc của mạng cảm biến không dây

Các node mạng cảm biến thường được phân tán trong một khu vực cảm biến nhưtrong hình 1.4 Mỗi nút cảm biến phân tán có khả năng thu thập và truyền dữ liệu về

bộ góp (sink) và đến người dùng cuối cùng thông qua truyền thông multi-hop Khigiao tiếp không dây là kĩ thuật chính, thì giao tiếp trực tiếp giữa hai nút sẽ có nhiềuhạn chế do khoảng cách hay các vật cản Sink giao tiếp với người dùng cuối thông quainternet hoặc vệ tinh hoặc bất kỳ loại mạng không dây (như WiFi, mạng lưới, hệ thống

di động, WiMAX, vv), có thể kết nối trực tiếp đến người dùng

Hoạt động hiệu quả năng lượng: để hỗ trợ kéo dài thời gian sống của toàn mạng,hoạt động hiệu quả năng lượng là kĩ thuật quan trọng mạng cảm biến không dây

Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông số mộtcác tự động Chẳng hạn như các nút có thể xác định vị trí địa lý của nó thông qua cácnút khác (gọi là tự định vị)

Xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: Trong một số ứng dụng một nút cảm biến khôngthu thập đủ dữ liệu mà cần phải có nhiều nút cùng cộng tác hoạt động thì mới thu thập đủ

dữ liệu, khi đó mà từng nút thu dữ liệu gửi ngay đến sink thì sẽ rất tốn băng thông và nănglượng Cần phải kết hợp các dữ liệu của nhiều nút trong một vùng rồi mới gửi tới sink thì sẽtiết kiệm băng thông và năng lượng

Do vậy , cấu trúc mạng mới sẽ:

 Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến

 Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.

 Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây

 Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận

Các nút cảm ứng được phân bố trong một sensor field như hình 1.4 Mỗi một nút

cảm ứng có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink Dữ liệu đượcđịnh tuyến lại đến các sink bởi một cấu trúc đa điểm Các sink có thể giao tiếp với cácnút quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua mạng Internet hoặc vệ tinh

Hình 1 4 Mô hình các nude cảm biến trong vùng cảm biến phân tán

Trong mạng cảm ứng, dữ liệu sau khi được thu thập bởi các nút sẽ được định tuyếngửi đến sink Sink sẽ gửi dữ liệu đến người dùng đầu cuối thông qua internet hay vệtinh Kiến trúc giao thức được sử dụng bởi nút gốc và các nút cảm biến (hình 1.5).Kiến trúc giao thức này kết hợp giữa công suất và chọn đường, kết hợp số liệu vớicác giao thức mạng, sử dụng công suất hiệu quả với môi trường vô tuyến và sự tươngtác giữa các nút cảm biến Kiến trúc giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liên kết dữ liệu,lớp mạng, lớp truyền tải, lớp ứng dụng, phần quản lý công suất, phần quản lý di động

và phần quản lý nhiệm vụ

Hình 1 5 Giao thức ngăn xếp của mạng cảm biến

1.3 Hệ thống mạng cảm biến không dây

Hệ thống tổng quát

Các nút Sensor được triển khai trong một trường Sensor (Sensor field) được minhhọa trên hình 1.6 Mỗi nút Sensor được phát tán có khả năng thu thập thông số liệu,định tuyến số liệu về bộ thu nhân (Sink) để chuyển tới người dùng (User) và địnhtuyến các bản tin mang theo lệnh hay yêu cầu từ nút Sink đến các nút Sensor Số liệuđược định tuyến về phía bộ thu nhân (nút Sink) theo cấu trúc đa liên kết không có cơ

sở hạ tầng nền tảng (Multihop Infrastructureless Architecture) Bộ thu nhân có thể liênlạc trực tiếp với trạm điều hành (Task Manager Node) của người dùng hoặc gián tiếpthông qua Internet hay vệ tinh

Một nút Sensor được tạo lên từ bốn thành phần cơ bản là: bộ cảm biến, bộ xử lý,

bộ thu phát không dây và nguồn Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, nút Sensor còn có thể cócác thành phần bổ xung như Hệ thống tìm vị trí, bộ sinh năng lượng và thiết bị diđộng Các thành phần trong một nút Sensor được minh hoạ trên hình 1.6

Bộ cảm biến thường thường gồm hai đơn vị thành phần là thiết bị cảm biến(Sensor) và bộ chuyển đổi tương tự / số (ADC) Các tín hiệu tương tự có được từ cácSensor trên cơ sở cảm biến các hiện tượng được chuyển sang tín hiêu số bằng bộchuyển đổi ADC, rồi mới được đưa tới bộ xử lý Bộ xử lý trong mạng cảm biến

thường kết hợp với một bộ nhớ nhỏ, phân tích thông tin cảm biến và quản lý các thủtục công tác với các nút khác để phối hợp thực hiện nhiệm vụ

Bộ thu phát trong mạng cảm biến đảm bảo thông tin giữa nút Sensor và mạng bằngkết nối không dây, có thể là vô tuyến, hồng ngoại hoặc bằng tín hiệu quang Một thànhphần quan trọng của nút Sensor là bộ nguồn Bộ nguồn, có thể là pin hoặc acquy, cungcấp năng lượng cho nút Sensor và không thay thế được nên nguồn năng lượng của nútthường là giới hạn Bộ nguồn có thể được hỗ trợ bởi các thiết bị sinh năng lượng, ví dụnhư các tấm pin mặt trời nhỏ

Hầu hết các công nghệ định tuyến trong mạng Sensor và các nhiêm vụ cảm biếnyêu cầu phải có sự nhận biết về vị trí với độ chính xác cao Do đó, các nút Sensorthường phải có hệ thống tìm vị trí Các thiết bị di động đôi khi cũng cần thiết để dichuyển các nút Sensor theo yêu cầu để đảm bảo các nhiêm vụ được phân công

Hình 1 6 Các thành phần của nút Sensor.

1.4 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây có thể bao gồm nhiều loại khác nhau của cảm biến baogồm cả động đất, từ trường, nhiệt điện, thị giác, hồng ngoại, rađa và âm thanh, mà cóthể giám sát một loạt các điều kiện môi trường xung quanh bao gồm: nhiệt độ, độ ẩm,

áp lực, tốc độ, hướng, chuyển động, ánh sáng… Cùng với sự phát triển của ngànhcông nghiệp điều khiển tự động, robotic, thiết bị thông minh, môi trường, y tế WSNngày càng được sử dụng nhiều trong hoạt động công nhiệp và dân dụng

Một số ví dụ điển hình:

 Cảm biến môi trường:

 Quân sự: phát hiện mìn, chất độc, dịch chuyển quân địch…

 Công nghiệp: hệ thống chiếu sáng, độ ẩm, phòng cháy, rò rỉ…

 Dân dụng: hệ thống điều hòa nhiệt độ, chiếu sáng…

 Điều khiển:

 Quân sự: kích hoạt thiết bị, vũ khí quân sự…

 Công nghiệp: điều khiển tự động các thiết bị, robot…

 Môi trường: Giám sát lũ lụt, bão, gió, mưa, phát hiện ô nhiễm, chất thải

 Y tế: định vị, theo dõi bệnh nhân, hệ thống báo động khẩn cấp…

 Hệ thống giao thông thông minh:

 Giao tiếp giữa biển báo và phương tiện giao thông, hệ thống điều tiết lưu thôngcông cộng, hệ thống báo hiệu tai nạn, kẹt xe,…

 Hệ thống định vị phương, trợ giúp điều khiển tự động phương tiện giao thông,…

 Gia đình: nhà thông minh: hệ thống cảm biến, giao tiếp và điều khiển các thiết bịthông minh,…

WSN tạo ra môi trường giao tiếp giữa các thiết bị thông minh, giữa các thiết bịthông minh và con người, giao tiếp giữa các thiết bị thông minh và các hệ thống viễnthông khác (hệ thống thông tin di động, internet,…)

1.5 Một số mô hình mô phỏng mạng cảm biến không dây

Trong phần này em sẽ đưa ra một số ví dụ về mô hình mạng cảm biến mà em đọcđược qua các nguồn tài liệu đê chúng ta có một cái nhìn tổng quan hơn

1.5.1 Mô hình SWAN

Mô hình này được xây dựng để mô phỏng hoạt động của mạng cảm biến khôngdây với ứng dụng theo dõi sự ô nhiễm do hoá chất rò rỉ từ các đường ống dẫn Mô hìnhđược xây dựng bởi viện công nghệ bảo mật, trường cao đẳng Dartmouth (Institute forSecurity Technology Studies (ISTS) Dartmouth College) kết hợp với viện công nghệBBN

Hình 1.7 minh họa việc triển khai kịch bản của các node cảm biến Nút giám sát(Monitor) được đặt trong trường cảm biến Trong bản đồ này, màu nền biểu thị mức

độ ô nhiễm hoá chất thể hiện bằng cường độ tín hiệu có thể cảm biến được

Hình 1 7 Kịch bản triển khai mạng cảm biến không dây theo dõi ô nhiễm hoá

học trong thực tế.

1.5.2 Mô hình của trường đại học công nghệ Hoa Kì

Trong kịch bản mô phỏng, một tập các node mạng không dây trang bị các kiểucảm biến khác nhau được triển khai trong một vùng xác định (trường cảm biến) để

thực hiện các nhiệm vụ cảm biến môi trường Phạm vi hoạt động lớn, phổ biến rộng,

nhạy của thông tin thu được bởi vì WSN làm tăng yêu cầu chính cuối cùng là: bảo đảm

sự cách biệt và bảo mật Do phạm vi và các ứng dụng trong tự nhiên, WSN là các hệ

thống phân phối không cần chủ Hoạt động tự động là vấn đề chính được đặt ra trongthiết kế Ngay từ khi bắt đầu, các node trong WSN có thể được cấu hình theo topomạng của chúng; tự đồng bộ, tự kiểm tra, và quyết định các thông số hoạt động khác.Các kết quả cảm biến được xử lý trong mạng và các báo cáo được chuyển đến cácnode Gateway hay điểm thu thập dữ liệu thông qua các kết nối không dây Kết quả này

có thể chuyển đến trực tiếp người sử dụng hay đưa qua mạng Internet Kịch bản nàyđược mô tả trên hình 1.9

Hình 1 8 Kịch bản mạng cảm biến

Trong môi trường mô phỏng này, một kịch bản mạng cảm biến điển hình bao gồm

ba kiểu node :

1) Các node cảm biến, quan sát trực tiếp môi trường;

2) Các node đích (target node) tạo ra các kích thích cảm biến tác động đến các cảmbiến bằng các kênh cảm biến thông qua sự biến thiên của các đại lượng vật lý như cácchấn động, âm thanh, hồng ngoại, Ví dụ, xe cộ đang di chuyển tạo ra các chấn độngmặt kích thích các cảm biến địa chấn hay âm thanh kích thích các cảm biến thính giác; 3) Các node người sử dụng (User node) đưa ra kết quả của mạng cảm biến chongười sử dụng

Trong mô hình này, mỗi node cảm biến được trang bị một ngăn xếp giao thứcmạng không dây và một hay nhiều ngăn xếp cảm biến tương ứng với các kiểu cảmbiến khác nhau của node cảm biến Vai trò của ngăn xếp giao thức cảm biến là pháthiện và xử lý các kích thích cảm biến trên kênh cảm biến và hướng chúng tới lớp ứngdụng, nơi xử lý và cuối cùng là chuyển các kết quả tới một node người sử dụng dướidạng báo cáo cảm biến Mỗi ngăn xếp cảm biến làm việc với một loại đối tượng cầncảm biến Ngăn xếp giao thức mạng không dây đảm nhận việc thông tin giữa nodecảm biến với các node cảm biến khác và với các node User hay gateway Mỗi nodecòn được trang bị bổ xung một mô hình nguồn tương ứng với các phần cứng sản xuất

và tiêu thụ năng lượng Mô hình này bao gồm một bộ cung cấp năng lượng (acquy), vàmột tập các thành phần tiêu thụ năng lượng (CPU, Bộ thu phát vô tuyến, các cảm biến)

Mỗi thành phần tiêu thụ năng lượng có thể ở một trong các trạng thái và cách thứchoạt động khác nhau tượng ứng với các kiểu tiêu thụ năng lượng khác nhau

Ví dụ, bộ thu phát vô tuyến có thể ở các trạng thái nghỉ (sleep mode), trạng tháinhận tín hiệu (receive mode) hay một trong các trạng thái phát tương ứng với các tốc

độ kí hiệu, các phương thức điều chế và công suất phát khác nhau Tương tự, CPUcũng có thể ở trong trạng thái nghỉ, một trong nhiều trạng thái tích cực tương ứng vớiđiện áp và tần số khác nhau Các thuật toán trong mạng và ngăn xếp cảm biến điềukhiển sự thay đổi kiểu tiêu thụ năng lượng Ví dụ, giao thức MAC có thể thay đổi kiểuthu phát vô tuyến từ nghỉ sang nhận tín hiệu Ngược lại, hoạt động của các thuật toánnày lại phụ thuộc vào các kiểu hoạt động này

Ví dụ, thời gian được tính bởi lớp vật lý trong ngăn xếp giao thức phụ thuộc vàotốc độ số liệu của phương thức thu phát vô tuyến hiện tại Tất cả các cơ chế trên đượcthực hiện nhờ các thuật toán sau đó đưa ra các sự kiện thay đổi kiểu hoạt động của cácthực thể tiêu thụ năng lượng và thuật toán đọc các giá trị tham số thích hợp từ các thựcthể này

Internet, cellular networks, hệ thống truyền thông vệ tinh – satellite communication).Mạng Ad hoc cũng có thể được xem như những bản sao công nghệ của những kháiniệm máy tính thường gặp Bằng việc khám phá công nghệ mạng không dây Ad-hoc,những thiết bị cầm tay đủ chủng loại (như điện thoại di động, PDAs, máy tính xáchtay, máy nhắn tin “pager”… ) và các thiết bị cố định (như các trạm vô tuyến cơ sở,các điểm truy cập Internet không dây, … ) có thể được kết nối với nhau, tạo thànhmạng toàn cầu, khắp mọi nơi.

Trong tương lai, công nghệ mạng Ad-hoc có thể sẽ là lựa chọn rất hữu ích Ví dụ,hãy xem tình huống sau Một cơn động đất khủng khiếp đã tàn phá thành phố củachúng ta, trong đó có hầu hết các cơ sở hạ tầng viễn thông (như các đường điện thoại,trạm vô tuyến cơ sở …) Nhiều đội cứu hộ ( như lính cứu hỏa, cảnh sát, bác sĩ, các tìnhnguyện viên …) đang nỗ lực để cứu mọi người khỏi cơn động đất và chữa trị chonhững người bị thương Để hỗ trợ tốt hơn cho đội cứu hộ, các hoạt động cứu hộ của họphải được hợp tác với nhau

Rõ ràng là một hoạt động hợp tác như thế chỉ đạt được thành quả khi đội cứu hộ cóthể giao tiếp, thông tin với nhau, cả với đồng nghiệp của mình (ví dụ 1 cảnh sát với 1cảnh sát khác ) và cả với thành viên của đội cứu hộ khác (ví dụ 1 lính cứu hỏa yêu cầu

sự trợ giúp từ một bác sĩ) Với sự kết hợp của các hệ thống tổ chức mạng Ad-hoc sẽngày một giữ một vị trí quan trọng trong cuộc sống con người

1.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến mạng cảm biến không dây

Thiết kế mạng cảm biến không dây đòi hỏi phải có kiến thức phong phú về cáclĩnh vực nghiên cứu đó là: mạng truyền thông không dây, hệ thống nhúng, công nghệtín hiệu số và công nghệ phần mềm

Đơn vị cảm biến: bao gồm hai đơn vị nhỏ hơn: một cảm biến và một bộ chuyển đổi

từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC)

sẽ giúp ta một phần trong việc tiết kiệm pin

1.6.2 Khả năng chịu lỗi

Các hạn chế phần cứng làm các nút cảm biến thường xuyên lỗi hoặc bị block trongmột khoảng thời gian nhất định

Những lỗi có thể xảy ra do:

1.6.3 Khả năng mở rộng

WSN có khả năng hoạt động ở một vùng cực rộng (lớn hơn 10 ngàn, thậm chí làhàng triệu node trong một giới hạn về độ dài).Có một vài hạn chế về thông lượng vàdung lượng làm ảnh hưởng đến scalability của hoạt động mạng.

 Mật độ node phụ thuộc vào ứng dụng mà các nút cảm biến được triển khai

 Khó kiểm soát với mật độ số lượng node lớn

 Tăng số nút làm ảnh hưởng tới tiêu thụ năng lượng

1.6.4 Chi phí sản xuất

Các cải tiến của luật Moore trong công nghệ đảm bảo dung năng của thiết bị về cácmặt: xử lí nguồn, bộ nhớ - lưu trữ, thực hiện truyền nhận vô tuyến, cải thiện nhanhchóng sự chính xác của bộ cảm biến Tuy nhiên, vấn đề kinh tế được đặt ra ở đây làgiá cả trên một node giảm mạnh (từ hàng trăm đô la xuống còn vài cent), nó có thể làmcho dung năng của vài node sẽ bị hạn chế ở 1 mức độ nhất định Đó là lý do để thiết kếcác giao thức cho hiệu suất cao, nó bảo đảm rằng hệ thống tổng thì sẽ có dung nănglớn hơn so với dung năng của các thành phần trong nó cộng lại

 Các mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến, nên chi phí của mộtnút là rất quan trọng để tính tổng thể cho toàn mạng lưới

 Nếu chi phí của mạng là đắt hơn triển khai các thiết bị cảm biến truyền thống(traditional single sensor devices), thì các mạng cảm biến sẽ không được coi là chi phíhợp lý

 Kết quả là, chi phí của một nút cảm biến là một vấn đề rất khó khăn (cho số lượng cácchức năng)

1.6.5 Năng lượng tiêu thụ

Trong WSN được trang bị với một nguồn năng lượng hạn chế (0.5Ah < 1.2V) vớihạn chế về phần cứng Đối với hầu hết các ứng dụng, các nguồn năng lượng bổ sung làkhông thể, do đó mà phải phụ thuộc vào pin là chủ yếu Các hoạt động liên quan đếnvai trò của từng ảnh hưởng đến việc tiêu thụ năng lượng trong một nút cảm biến Lỗicủa một vài nút có thể gây ra thay đổi topo đáng kể và có thể phải yêu cầu định tuyếnlại các gói dữ liệu và tổ chức lại mạng

1.6.6 Truyền thông

Truyền thông được thực hiện bởi các mạch thu phát trong cả hai việc nhận vàtruyền dữ liệu Việc truyền và nhận thông tin cảm biến của các nút tiêu tốn khá nhiềunăng lượng Một số lượng đáng kể năng lượng có thể được lưu bằng cách tắt các máythu phát để vào trạng thái “ngủ” bất cứ khi nào nút cảm biến không cần phải truyền tảihoặc nhận dữ liệu Điều này tiết kiệm năng lượng lên đến 99,99% (từ 59.1mWto3μW) Trong mạng cảm biến đa bước, việc trao đổi giữa các node được liên kết theophương thức vô tuyến, những liên kết này được thực hiện bởi sóng điện từ, hồng ngoạihay quang Để vận hành mạng toàn cầu thì phương tiện truyền phải có sẵn.

Rất nhiều phần cứng node cảm biến hiện nay dựa trên thiết kệ mạch RF Node cảmbiến không dây AMPS sử dụng bộ thu phát tương thích Bluetooth 2.4 MHz tích hợp

bộ tổng hợp tần số Thiết bị cảm biến công suất thấp sử dụng bộ thu phát RF đơn kênhhoạt động tại 916 MHz Kiến trúc WINS (Wireless Intergrated Network Sensor) cũng

sử dụng kiểu liên kết thông tin bằng sóng radio

Một kiểu thông tin khả thi khác giữa các node trong mạng cảm biến là sử dụng tiahồng ngoại Thông tin bằng hồng ngoại có đặc điểm là không cần đăng ký và ít bị ảnhhưởng bởi các thiết bị điện tử Bộ thu phát hồng ngoại cũng rẻ hơn và dễ thực hiện.Một phát triển đáng quan tâm khác là Smart Dust, một hệ thống tự động cảm ứng, tínhtoán, xử lý và truyền thông sử dụng phương tiện truyền dẫn quang Cả kiểu truyềnhồng ngoại và quang đều yêu cầu đường truyền thẳng giữa bên phát và bên thu

CHƯƠNG 2 NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN

KHÔNG DÂY

2.1 Đặc điểm của mạng cảm biến

Những tiến bộ gần đây của điện tử và truyền thông vô tuyến đã tạo điều kiện choviệc phát triển của mạng cảm biến giá thấp, đa chức năng, kích thước nhỏ, không bị bóbuộc trong phạm vi làm việc nhỏ Những node cảm biến nhỏ, bao gồm các thành phầncảm biến, xử lý dữ liệu và thông tin, hợp thành mạng cảm biến Mạng cảm biến thểhiện sự cải tiến đáng kể so với các cảm biến truyền thống

Một mạng cảm biến được tạo thành từ các node cảm biến có mật độ triển khai khádày Vị trí của các cảm biến không cần phải sắp đặt hay quyết định trước Điều nàycho phép triển khai mạng một cách ngẫu nhiên ở các địa hình hiểm trở và các hoạtđộng giảm nhẹ thiên tai Mặt khác, điều này cũng có nghĩa là thuật toán và giao thứccủa mạng cảm biến phải có khả năng tự tổ chức Một đặc điểm cần thiết nữa của mạngcảm biến chính là khả năng phối hợp giữa các node Các node cảm biến phải phù hợpvới bộ xử lý onboard Thay vì chỉ gửi đi dữ liệu thô thì các node cảm biến có khả năngthực hiện những tính toán đơn giản rồi gửi đi các yêu cầu và một phần dữ liệu đã đựợc

xử lý

Một mạng cảm biến cho phép truy nhập thông tin mọi lúc mọi nơi bằng cách thuthập, xử lý, phân tích và phát tán dữ liệu Do đó, mạng cảm biến tham gia một cáchtích cực trong việc tạo ra một môi trường thông minh

Mạng cảm biến hứa hẹn sẽ là một cuộc cách mạng trong một loạt các ứng dụng.Điều này là có thể bởi tính linh hoạt, chính xác, hiệu quả về giá thành và dễ dàng vềtriển khai của mạng, theo Tilaketal Những bộ cảm biến thông minh cho phép giámsát, thăm dò và thu thập dữ liệu liên quan đến bất kỳ hỏng hóc nào của máy móc, độngđất, lũ lụt, thậm chí là một vụ tấn công khủng bố

Mạng cảm biến cho phép:

- Thu thập thông tin

- Xử lý thông tin

- Giám sát liên tục những thay đổi của môi trường cho cả ứng dụng dân sự và quân sự

Những đặc điểm mô tả trên đảm bảo phạm vi ứng dụng rộng cho mạng cảm biến.Một vài lĩnh vực ứng dụng như y tế, quân sự và gia đình Trong lĩnh vực y tế, những

node cảm biến có thể triển khai với nhiều mục đích khác nhau để theo dõi bệnh nhân

và giúp đỡ những bệnh nhân tàn tật Một vài ứng dụng trong thương mại bao gồmgiám sát chất lượng sản phẩm, kiểm kê,…

Việc thực thi những ứng dụng này yêu cầu kỹ thuật mạng Ad-hoc vô tuyến Mặc

dù nhiều giao thức và thuật toán đã được đề nghị cho mạng Ad-hoc truyền thống,nhưng chúng không phù hợp với những đặc điểm đồng nhất và yêu cầu ứng dụng củamạng cảm biến Để minh họa cho điều này, sự khác nhau giữa mạng cảm biến vàmạng Ad-hoc là:

- Các node cảm biến trong mạng cảm biến có sự phân cấp lớn hơn so với hệ thống mạngAd-hoc

- Các node cảm biến được triển khai dày đặc hơn

- Các node cảm biến dễ hỏng hơn

- Hình trạng của mạng cảm biến thay đổi thường xuyên

- Các node cảm biến chủ yếu sử dụng kiểu thông tin quảng bá, trong khi đó hầu hếtmạng Ad-hoc dựa trên thông tin điểm nối điểm

- Các node cảm biến bị giới hạn về công suất, khả năng tính toán và bộ nhớ

- Các node cảm biến không có ID do bởi số lượng node trong mạng quá lớn

Thông tin trong mạng cảm biến không điển hình cho mạng end to end Năng lượngtrong mạng cảm biến bị giới hạn so với các mạng không dây khác do bởi bản chất củacác thiết bị cảm biến và khó khăn trong việc sạc lại nguồn pin Những nghiên cứu đãchỉ ra rằng thiết bị Bluetooth hiện tại không phù hợp cho các ứng dụng của mạng cảmbiến do yêu cầu về mặt năng lượng của nó

Có thể suy luận rằng với cơ sở hạ tầng phân bố dày sẽ tạo hiệu quả tốt hơn chomạng cảm biến Điều này nâng cao độ chính xác và hiệu quả về mặt năng lượng Tuynhiên nếu không quản lý phù hợp, mạng với mật độ phân bố dày đặc sẽ dẫn đến xungđột và nguy cơ nghẽn mạng là rất lớn đồng thời làm tăng thời gian chờ Tuy vậy sốlượng mẫu quá lớn báo về từ mạng cảm biến có thể gây thừa thông tin

2.2 Hạn chế trong mạng cảm biến không dây

Tất cả các thành phần của nút Sensor phải đặt vừa vào trong một khối Thôngthường kích cỡ được yêu cầu nhỏ hơn 1 centimet khối, đôi khi, phải đủ nhẹ để có thểtreo trên không trung Ngoài các yêu cầu về kích cỡ, khối lượng, việc thiết kế các nútSensor còn bị hạn chế bởi các yêu cầu nghiêm ngặt khác là :

+ Công suất tiêu thụ phải vô cùng thấp

+ Hoạt động trong mật độ thể tích cao

+ Giá thành sản xuất thấp và có thể bị bỏ qua mà không ảnh hưởng tới toàn mạng+ Có thể tự động tổ chức, quản trị và hoạt động không cần can thiệp

+ Thích nghi được với môi trường

Vì các nút Sensor thường không tiếp cận được nên thời gian tồn tại của một mạngSensor phụ thuôc vào tuổi thọ nguồn năng lượng của nút Năng lượng cũng là tàinguyên hiếm do bộ nguồn có kích cỡ giới hạn Ví dụ, tổng năng lượng dự trữ trongmột hạt Sensor thông minh là 1J Trong mạng Sensor tích hợp vô tuyến (WINS), dòngđiện trung bình cung cấp phải nhỏ hơn 30 để đảm bảo thời gian sống dài Các nútWINS được cung cầp năng lượng từ pin lithium (Li) tiêu chuẩn hình đồng xu (đườngkính 2.5 cm dày 1cm) Ngoài ra, có thể tăng thời gian sống của mạng bằng cách tìmlấy năng lượng từ môi trường Các ô pin mặt trời là một ví dụ

Bộ thu phát của các nút Sensor có thể là các thiết bị quang thụ động hoặc tích cựchoặc các thiết bị vô tuyến (RF) Truyền thông tần số vô tuyến yêu cầu điều chế, bộ lọcthông dải, giải điều chế và ghép kênh làm cho chúng trở lên đắt và phức tạp Ngoài ra,suy hao đường truyền tín hiệu giữa hai nút Sensor tỷ lệ theo luỹ thừa bậc bốn củakhoảng cách do các nút Sensor sử dụng antent đẳng hướng Truyền thông vô tuyếnđược quan tâm trong hầu hết các dự án nghiên cứu vì các gói tin truyền trong mạngSensor có kích thước nhỏ, tốc độ số liệu thấp và khả năng sử dụng lại tần số cao dokhoảng cách truyền thông ngắn Các đặc điểm này tạo ra cho thấy hệ số sử dụng hệthống vô tuyến là thấp Tuy nhiên, việc thiết kế các mạch vô truyến có hiệu quả vềnăng lượng và hệ số sử dụng thấp vẫn còn là một thách thức công nghệ Các kỹ thuật

vô tuyến thương mại hiện nay vẫn không được như mong muốn vì chúng còn tiêu thụnhiều năng lượng

Mặc dù đã có các bộ xử lý công suất tính toán cao với kích thước nhỏ nhưng hiệntại chúng vẫn chưa được phổ biến Ví dụ, một vi hạt thông minh (smart dust mote)nguyên bản là một bộ vi điều khiển 4 MHz Atmel AVR 8535 với 8 Kb bộ nhớ tốc độcao, 512 byte RAM và 512 byte EEPROM (ROM lập trình bằng điện) Hệ điều hànhTinyOS được sử dụng trong bộ xử lý này, với 3500 byte không gian chứa mã OS và

4500 byte không gian có sẵn Bộ xử lý của một nút Sensor nguyên bản khác, gọi là

AMPS (Adaptive Multi-domain Power aware Sensors-Vi cảm biến nhận biết nănglượng đa miền thích ứng), có một vi xử lý 59 — 206 MHz SA — 1110 sử dụng hệđiều hành đa nhiệm OS.

Hầu hết các nhiệm vụ cảm biến yêu cầu có một sự hiểu biết về vị trí Vì các nútSensor thường được triển khai ngẫu nhiên và hoạt động tự động, nên chúng cần phải

có một hệ thống tìm đường Hệ thống này cũng được yêu cầu bởi nhiều giao thức địnhtuyến Thông thường, các nút Sensor còn được trang bị hệ thống định vị toàn cầu GPS

có độ chính xác nhỏ hơn 5m Nhờ vậy, chúng có thể tự động tìm vị trí thích hợp và cókhả năng định vị chính xác các hiện tượng đích

Các nút Sensor phải làm việc với các điều kiện rất khó khăn: dưới áp suất cao dướiđáy biển; ở các môi trường khắc nghiệt như vùng chiến sự hay các đống đổ nát; dướisức nóng hay độ lạnh; trong các môi trường tạp âm lớn Với mỗi loai phải có một kếhoạch thiết kế thích hợp

2.3 Môi trường truyền dẫn

Trong một mạng Sensor đa liên kết, các nút mạng thông tin với nhau qua môitrường không dây Các liên kết này có thể là sóng vô tuyến, hổng ngoại hay các tínhiệu quang Việc chọn môi trường thông tin liên quan đến yêu cầu nhiệm vụ của mạng

và chúng phải đảm bảo các quy định quốc tế về thông tin trong không gian để có thểhoạt động được ở mọi nơi

Liên kết vô tuyến sử dụng các dải tần công nghiệp, khoa học và y học (Industrial,Scientific and Medical-ISM) Các dải tần này được thông tin tự do trong hầu hết cácnước Bảng phân phối tần số quốc tế nằm trong khoản S5 trong quy định tần số chỉ ramột số dải tần dành cho các ứng dụng ISM (Bảng 2.1)

122-123 GHz 122,5 GHz

Bảng 2.1 Các dải tần dành cho các ứng dụng ISM

Một số các dải tần này đã được sử dụng cho các hệ thống điện thoại cầm tay vàmạng nội bộ không dây (Wireless LAN) Các mạng Sensor sử dụng bộ thu phát kích

cỡ nhỏ, giá rẻ và công suất tiêu thụ cực thấp Do các hạn chế về phần cứng và sự cânbằng giữa hiệu quả antent và công suất tiêu thụ giới hạn nên phải lựa chọn sóng mangthuộc dải tần rất cao (UHF) Các bộ thu phát sử dụng dải tần 433 MHz ISM ở châu Âu

và 915 MHz ở Bắc Mỹ Thuận lợi chính của các dải tần ISM là sử dụng tự do, phổrộng và thông dụng Chúng không vượt khỏi các tiêu chuẩn riêng, do đó có thể phùhợp với các kế hoạch tiết kiệm năng lượng Mặt khác, còn có các hạn chế khác nhưgiới hạn công suất và nhiễu gây hại từ các ứng dụng đã triển khai do các dải tần ISMkhông được quản lý

Một kiểu truyền thông khác trong mạng Sensor là sử dụng hồng ngoại Thông tinhồng ngoại được sử dụng tự do và có khả năng chống nhiễu từ các thiết bị điện Các

bộ thu phát hồng ngoại có giá thành rẻ và dễ chế tạo Ngày nay, các máy tính xách tay,máy tính cầm tay và điện thoại di động đều có cổng giao tiếp hồng ngoại Trở ngạichính của việc sử dụng hồng ngoại là yêu cầu phải có một đường nhìn thẳng giữa nơigửi và nơi nhận Điều nay làm cho hồng ngoại khó được sử dụng trong trường hợpmạng Sensor

Một hướng phát triển đáng quan tâm là các vi hạt thông minh (smart dust mote),một hệ thống cảm biến, tính toán và thông tin tự động, sử dụng môi trường truyền dẫnquang học Có hai phương pháp truyền thông tin: thứ nhất là truyền thông thụ động sửdụng một máy phản chiếu có dạng tam diện chữ nhật (Corner-cube-retroreflector(CCR)); thứ hai là truyền thông tích cực sử dụng các diode lazer và các gương chuyểnđộng Hiện nay các diode lazer tại nơi phát được gắn trên bảng mạch, có thể chuyểnđộng lái chùm sáng vào chính xác nơi nhận

Các ứng dụng đặc biệt đòi hỏi môi trường truyền dẫn phức tạp hơn Ví dụ, với cácứng dụng dưới biển thì môi trường truyền dẫn là môi trường nước Do đó phải sử dụngbức xạ bước sóng dài để đi xuyên trong nước Với các vùng khí hậu khắc nghiệt haycác vùng chiến sự, thì phải vượt qua được các sai lỗi và nhiễu lớn Ngoài ra, các antent

của Sensor thấp hơn và có công suất bức xạ nhỏ hơn các thiết bị vô tuyến khác Dođó,môi trường truyền thông phải được hỗ trợ bằng các phương thức điều chế và mãhoá chống lỗi phù hợp với đặc điểm từng loại kênh truyền.

2.4 Sự tiêu hao năng lượng

Nút Wireless Sensor là một thiết bị điện rất nhỏ nên chỉ được trang bị nguồn nănglượng hạn chế (<0.5Ah, 1.2V) Trong hầu hết các ứng dụng, việc tiếp thêm năng lượng

là không thực hiện được Cho nên, thời gian tồn tại của nút Sensor phụ thuôc chủ yếuvào tuổi thọ của nguồn năng lượng Trong mạng Sensor đa liên kết, mỗi nút đóng haivai trò là điểm khởi đầu số liệu và định tuyến số liệu Sự trục trặc của vài nút có thể lànguyên nhân quan trọng của việc thay đổi hình trạng mạng, phải định tuyến lại gói tin

và phải tổ chức lại mạng Do đó, việc bảo tồn nguồn năng lượng và quản lý nguồnnăng lượng là rất quan trọng Do các nguyên nhân này mà nhiều nhà nghiên cứu đã tậptrung vào việc thiết kế các thuật toán và giao thức nhận biết, tính toán năng lượng chomạng Sensor

Trong các mạng đa liên kết và di động khác, việc tiêu thụ năng lượng là một vấn

đề quan trọng trong thiết kế song không phải vấn đề chính vì nguồn năng lượng có thểđược người sử dụng thay thế Điều quan trọng hơn là vấn đề cung cấp chất lượng dịch

vụ (QoS) Tuy nhiên, trong các mạng Sensor, hiệu quả năng lượng là một vấn đề vôcùng quan trọng vì nó ảnh hưởng trực tiếp tới tuổi thọ của mạng Các giao thức riêngcho từng ứng dụng được thiết kế để có được sự cân bằng thích hợp giữa các vấn đề về

độ trễ và thông lượng với hiệu quả năng lượng

Nhiệm vụ chính của một nút Sensor trong trường Sensor là theo dõi các sự kiện,

xử lý nhanh số liệu cục bộ và truyền thông số liệu Công suất tiêu thụ bởi ba thànhphần chính: cảm biến, truyền thông và xử lý số liệu

a) Năng lượng cho nhiệm vụ cảm biến

Năng lượng tiêu thụ của bộ cảm biến và các thành phần của nó có thể thay đổi tuỳtheo ứng dụng cụ thể Việc cảm biến rời rạc sẽ tiêu thụ công suất nhỏ hơn so với việctheo dõi các hiện tượng một cách liên tục Độ phức tạp của nhiệm vụ quan sát hiệntượng đóng vai trò quyết định trong việc xác định mức năng lượng tiêu hao Các mứctạp âm biên độ cao là nguyên nhân làm tăng độ phức tạp trong việc quan sát hiệntượng của các Sensor Do đó, làm tăng công suất tiêu thụ cho nhiệm vụ cảm biến

b) Năng lượng cho truyền thông

Trong ba thành phần nêu trên trong một nút mạng Sensor, phần truyền thông sốliệu tiêu thụ năng lượng nhiều nhất, bao gồm cả phát và thu số liệu Đặc điểm truyềnthông trong mạng Sensor là phạm vi ngắn và công suất bức xạ thấp (~ 0 dbm), chi phínăng lượng cho việc phát và thu là gần như nhau Trong mạch thu phát, các bộ trộn,các bộ tổng hợp tần số, các bộ dao động điều khiển bằng điện áp, các vòng khoá pha(PLL) và các bộ khuếch đại công suất tiêu thụ công suất đáng kể Điều quan trọng làtính toán này không chỉ quan tâm đến công suất tích cực mà còn xem xét đến tiêu thụcông suất khởi phát trong mạch thu phát Thời gian khởi phát lên tới hàng trăm microgiây làm công suất khởi phát trở lên đáng kể Giá trị cao của thời gian khởi phát đượccho là do thời gian khoá của vòng khoá pha (PLL) Khi kích cỡ gói tin truyền giảmnhỏ thì công suất khởi phát sẽ chiếm ưu thế so với công suất tích cực Kết quả là việcchuyển trạng thái (thu, phát) giữa ON và OFF không hiệu quả vì sẽ tiêu thụ một khốilượng điện năng lớn mỗi lần chuyển trạng thái về ON

c) Năng lượng cho xử lý

Năng lượng tiêu thụ cho xử lý số liệu nhỏ hơn nhiều so với năng lượng dành chotruyền thông số liệu Do ảnh hưởng của fading và do sự suy giảm đường truyền theoluỹ thừa bậc bốn nên công suất tiêu thụ của bộ thu phát lớn khi khoảng cách truyềnthông tăng Trong khi đó, bộ xử lý thường không phức tạp và tốc độ không cao nêntiêu thụ công suất nhỏ

Một nút Sensor phải có khả năng tính toán và tương tác với môi trường xungquanh Với việc giới hạn về chi phí và kích thước dẫn đến sự lựa chọn công nghệ bándẫn oxit kim loại (CMOS) cho bộ vi xử lý Tuy nhiên, công nghệ này lại bị hạn chế vềhiệu quả năng lượng

Ngoài ra, trong nút Sensor còn có các mạch mã hoá và giải mã, các mạch tích hợpcác ứng dụng đặc biệt Khi thiết kế các giao thức và thuật toán cho mạng, phải tínhtoán các ảnh hưởng đến công suất tiêu thụ của các thành phần này

2.5 Các giải pháp tiết kiệm năng lượng

2.5.1 Định tuyến

Việc định tuyến trong mạng sensor cũng như trong các mạng khác được thực hiện

tại lớp mạng Các nút Sensor được phân bố dày đặc trong một trường ở gần hoặc ởngay bên trong các hiện tượng mục tiêu Giao thức định tuyến không dây đa bước phùhợp giữa nút Sensor và nút Sink là cần thiết Kỹ thuật định tuyến trong mạng ad- hocthông thường không phù hợp những yêu cầu của mạng Sensor Lớp mạng của mạngSensor được thiết kế theo những nguyên tắc sau :

- Hiệu suất năng lượng luôn là yếu tố quan trọng

- Hầu hết các mạng Sensor là số liệu tập trung

- Việc tập hợp số liệu chỉ được thực thi khi nó không cản trở hoạt động hợp tác của cácnút Sensor

- Một mạng Sensor lý tưởng phải nhận biết được việc đánh địa chỉ thuộc tính cơ sở và vịtrí

a Phương pháp định tuyến tối ưu về năng lượng

Các phương pháp được sử dụng để chọn tuyến đường có hiệu suất năng lượng caođược minh hoạ trên hình 2.1

Hình 2 1 Hiệu quả năng lượng trong định tuyến

Trong đó, T là nút nguồn cảm biến hiên tượng mục tiêu Nó có bốn đường có thểliên lạc với bộ thu nhân (Sink) như sau :

Đường 1 : Sink - A - B - T, tổng PA = 4 , tổng a =3

Đường 2 : Sink - A - B - C - T , tổng PA = 6 , tổng a = 6

Đường 3 : Sink - D - T , tổng PA = 3 , tổng a = 4

Đường 4 : Sink - E - F - T , tổng PA = 5 , tổng a = 6

Với PA là mức năng lượng hiên tại của nguồn nuôi tại nút (Available Power) và a

là năng lượng cần thiết để truyền một gói số liêu qua kết nối liên quan Theo các tiêuchí khác nhau, có bốn phương pháp chọn đường có hiệu quả cao nhất về năng lượng

- Đường tổng mức năng lượng nguồn nuôi hiện tại (PA:power available) cực đại: là

đường có tổng các mức năng lượng nguồn nuôi hiện tại của các nút liên quan lớn nhất

PA tổng được tính bằng tổng các PA của mỗi nút dọc theo đường Theo phương phápnày, đường 2 được lựa chọn Tuy nhiên, đường 2 lại bao gồm những nút trong đường 1

và một nút mở rông Vì thế, dù có PA tổng cao hơn nhưng nó không phải là đường cóhiệu suất năng lượng cao nhất Như vậy, những đường nhận được từ việc mở rộng cácđường có thể kết nối Sensor tới Sink sẽ không được tính Loại trừ đường 2, đường 4 làđường có phương pháp PA tối đa

- Đường năng lượng cực tiểu (ME: minimum energy): đường mà năng lượng tiêu thụ

cực tiểu khi truyền một gói số liệu giữa nút Sink và nút Sensor được gọi là đường ME

Như vậy đường ME là đường có tổng các a nhỏ nhất với ví dụ này là đường ME.

- Đường có số bước nhảy cực tiểu (MH: minimum hop): là đường có số liên kết từ nút

Sensor nguồn tới nút Sink là nhỏ nhất Đường 3 trong ví dụ này là đường có hiệu suấtcao nhất theo tiêu chí này Lưu ý rằng phương pháp ME sẽ chọn ra đường tương tựnhư phương pháp MH khi năng lượng tiêu thụ cho việc truyền một gói tin ở tất cả các

liên kết đều như nhau, tức là tất cả a ở mọi liên kết đều bằng nhau Vì thế, khi các nút

phát quảng bá với cùng mức năng lượng mà không có bất kì sự điều khiển năng lượngnào, MH là tương đương với ME

- Đường có PA cực tiểu lớn nhất (Maximum minimum PA nút): là đường mà dọc theo

nó, PA cực tiểu lớn hơn các PA cực tiểu của các đường khác Theo tiêu chí này, đường

3 là đường có hiệu suất năng lượng cực đại và đường 1 là đường có hiệu suất lớn thứhai Phương pháp này ngăn ngừa việc sử dụng các nút Sensor có PA thấp sớm trongkhi có thể sử dụng các nút khác có PA cao hơn Như thế có thể tránh được hiện tượngmột số nút bị cạn nguồn năng lượng sớm làm ảnh hưởng đến hoạt động toàn mạng

b Phương pháp định tuyến số liệu tập trung

Một vấn đề quan trọng khác của lớp mạng là định tuyến có thể dựa trên việc tâptrung số liệu Trong định tuyến số liệu tâp trung, việc phổ biến các yêu cầu (các nộidung được quan tâm) được thực hiện nhằm phân nhiệm vụ cảm biến tới các nút

Sensor Có hai phương pháp được sử dụng để phổ biến yêu cầu là: nút Sink phổ biếnnội dung được quan tâm tới các nút Sensor cần thiết và các nút Sensor phát quảng bámột quảng cáo cho số liệu có sẵn và đợi một yêu cầu từ các nút Sink có nhu cầu về các

số liệu này

Định tuyến số liệu tâp trung yêu cầu phải đặt tên thuộc tính cơ sở Nguyên nhâncần phải đặt tên thuộc tính cơ sở là người sử dụng thường quan tâm tới truy vấn thuộctính của hiện tượng hơn là truy vấn tới một nút riêng lẻ Ví dụ, “những khu vực nơinhiệt độ vượt quá 70 độ F” là một truy vấn được sử dụng thường xuyên hơn là “nhiệt

độ được đọc bởi một nút nào đó” Việc đặt tên thuộc tính cơ sở được sử dụng để truyvấn về các thuộc tính của hiện tượng Với việc đặt tên thuộc tính cơ sở, các phươngthức phát quảng bá, phát đến một nhóm theo thuộc tính cơ sở phát theo địa lý (geo-casting), phát bất kỳ (any-casting ) trở lên quan trọng đối với mạng cảm biến khôngdây (WSN)

Tập hợp số liệu là một kỹ thuật được sử dụng để giải quyết những vấn đề trùng lặp

và chồng chéo trong định tuyến số liệu tập trung Trong kỹ thuật này, một mạngSensor được mô tả với cấu trúc cây phát đa điểm đảo ngược như trong hình 2.2

Hình 2 2 Ví dụ về tập hợp số liệu

Bộ thu nhân (Sink) yêu cầu các nút Sensor báo cáo về trạng thái xung quanh hiêntượng Số liêu từ nhiều nút Sensor được tâp hợp lại khi chúng tới cùng một nút trênđường đến nút Sink nếu chúng cùng chỉ về một thuôc tính của hiên tượng Trong ví dụtrên, nút Sensor E tâp hợp số liêu từ các nút Sensor A và B Trong khi đó, nút Sensor Ftâp hợp số liêu từ các nút Sensor C và D Viêc tâp hợp số liêu có thể được hiểu như làmột nhóm các phương pháp tự động kết hợp số liêu tới từ nhiều nút Sensor thành mộttâp thông tin có nghĩa Về mặt này, viêc tâp hợp số liêu được xem như là hợp nhất sốliêu Ngoài ra, sự cẩn trọng là rất cần thiết khi tâp hợp số liêu bởi các đặc trưng của sốliêu, như vị trí của những nút Sensor báo cáo, không cho phép được bỏ sót Những đặc

trưng như vậy có thể rất cần thiết cho một ứng dụng nào đó.

c Các giao thức lớp mạng khác được đề xuất cho mạng Sensor

Trong nhiều ứng dụng của mạng cảm ứng thì việc xác định số nhận dạng toàn cầucho từng nút là không khả thi Việc thiếu số nhận dạng toàn cầu cùng với việc triểnkhai ngẫu nhiên các nút gây khó khăn trong việc chọn ra tập hợp các nút chuyên dụng

Vì thế dữ liệu được truyền từ mọi nút trong vùng triển khai với độ dư thừa đáng kể,nên việc sử dụng năng lượng sẽ không hiệu quả

Do vậy, người ta đã đưa ra các giao thức định tuyến mà có khả năng chọn ra tậphợp các nút và thực hiện tập trung dữ liệu trong suốt quá trình truyền Điều này đã dẫnđến ý tưởng về giao thức trung tâm dữ liệu

Trong giao thức định tuyến này, sink gửi yêu cầu đến các vùng xác định và đợi dữliệu từ các sensor đã được chọn trước trong vùng SPIN là giao thức đầu tiên thuộcloại này mà đã đề cập đến việc dàn xếp dữ liệu giữa các nút để giảm bớt sự dư thừa dữliệu và tiết kiệm năng lượng Sau đó Directed Diffusion (truyền tin trực tiếp) đượcphát triển và là một giao thức rất đáng chú ý trong định tuyến trung tâm dữ liệu

Giao thức tràn (Flooding): thuật tràn là một kỹ thuật cũ có thể cũng được sử dụng

để định tuyến trong mạng Sensor Trong thuật tràn, mỗi nút đang nhân một gói số liêuhoặc một gói điều khiển lặp lại nó bằng cách phát quảng bá, trừ khi gói này đã đạtđược số bước nhảy cực đại cho phép hoặc gói đã tới đích Thuật tràn là một kỹ thuậtphản ứng và nó không cần duy trì kiến trúc mạng đắt tiền và thuật toán tìm đườngphức tạp Tuy nhiên, nó có một vài hạn chế như :

+ Sự trùng lặp (Implosion): trùng lặp là một trạng thái mà các bản sao của gói tinđược gửi tới cùng một nút Ví dụ, nếu một nút Sensor A có N nút Sensor lân cân mà

đó cũng là những nút lân cận của nút Sensor B, nút Sensor B nhân N bản sao của bảntin được gửi đi bởi nút Sensor A

+ Sự chồng lấn (Overlap): nếu hai nút chia sẻ cùng một vùng quan sát, cả hai nút

có thể cảm nhận cùng một kích thích tại cùng một thời điểm Kết quả là các nút lâncận nhân được các bản tin sao lại

+ Sự mù tài nguyên (Resource Blindness): giao thức tràn không đưa vào báo cáocác tài nguyên năng lượng hiện tại Một giao thức nhân biết được tài nguyên nănglượng phải đưa vào báo cáo mức năng lượng của các nút tại mọi thời điểm

Giao thức dây truyền (Gossiping): với giao thức dây truyền, các nút không phátquảng bá mà gửi đi những gói tới tới một nút lân cận được chọn ngẫu nhiên Một nútSensor lựa chọn ngẫu nhiên một trong các nút lân cận để gửi số liệu Khi nút lân cận

đó nhân được số liệu, nó lại lựa chọn ngẫu nhiên một nút Sensor khác Mặc dù phươngpháp này tránh được vấn đề trùng lặp (Implosion) do chỉ có một bản sao của bản tin tạimột nút bất kỳ, nhưng nó phải mất một thời gian khá dài để truyền bản tin tới tất cảcác nút Sensor

Cắc giao thức thông tin Sensor thông qua thỏa thuận (Sensor Protocols for Information via Negotiation-SPIN): một họ các giao thức có khả năng thích ứng đượcgọi là SPIN được thiết kế để khắc phục nhược điểm của giao thức tràn (Flooding) cổđiển bằng thỏa thuận và khả năng thích ứng tài nguyên Họ giao thức SPIN được thiết

kế dựa trên hai ý tưởng cơ bản:

- Các nút Sensor hoạt động hiệu quả hơn và có thể bảo tồn năng lượng bằng cách chỉgửi các số liệu mô tả về số liệu cảm biến thay vì gửi toàn bộ số liệu;

- Các nút Sensor phải giám sát sự thay đổi trong tài nguyên năng lượng của chúng.SPIN có ba kiểu bản tin là ADV (quảng cáo), REQ (yêu cầu) và DATA (số liệu).Trước khi gửi bản tin DATA, Sensor phát quảng bá một bản tin ADV gồm một bản

mô tả (meta-data) của DATA chỉ ra trong bước 1 trên hình 2.3 Nếu một nút Sensorlân cân quan tâm đến số liệu này, nó sẽ gửi một bản tin REQ về số liệu và bản tinDATA sẽ được gửi tới nút Sensor này như các bước 2 và 3 trên hình 2.3 Nút Sensornày lại lặp lại tiến trình trên như chỉ ra ở bước 4, 5, 6 Kết quả là tất cả các nút Sensortrong toàn mạng Sensor có nhu cầu về số liệu này sẽ nhân được bản sao số liệu

Hình 2 3 Giao thức SPIN

Định tuyến chỉ định liên tục (Sequential Assignment Routing-SAR): một tập hợp cáccác thuật toán thực hiên các hoạt động tổ chức, quản trị và quản lý di động trong mạngSensor được đề xuất MAC tự tổ chức cho mạng Sensor (Self Organizing MAC forSensor network-SMACS) là một giao thức phân tán cho phép một nhóm các nútSensor có thể phát hiện ra các nút lân cận của chúng và thiết lập các tiến trình truyền /nhận mà không cần tới Hệ thống quản lý trung tâm

Thuật toán nghe trộm và ghi lại (Eavesdrop And Register-EAR) được thiết kế để

hỗ trợ kết nối liền mạch của các nút di động Thuật toán EAR dựa trên những bản tinmời (Invitation) và dựa trên việc ghi lại các nút tĩnh của các nút di động Thuật toánSAR tạo nên nhiều nhánh cây, trong đó, gốc của mỗi nhánh cây là một bước nhảy giữanút lân cận và nút Sink Mỗi nhánh cây phát triển ra phía ngoài từ nút Sink và tránhcác nút có chất lượng dịch vụ (QoS) quá thấp (tức là thông lượng thấp / trễ cao) và dựtrữ năng lượng quá ít Kết thúc thủ tục này, phần lớn các nút thuộc về các nhánh câynày Điều này cho phép nút Sensor có thể lựa chọn một cây để chuyển thông tin của nó

về Sink Có hai tham số được gắn với mỗi đường dẫn (nhánh cây) trở về Sink:

- Khả năng về năng lượng: khả năng năng lượng được đánh giá bằng số lượng gói mànút Sensor có thể gửi nếu nút Sensor sử dụng duy nhất đường này

- Đo QoS bù : Viêc đo được QoS bù càng cao có nghĩa là QoS thực tế càng thấp

Thuật toán SAR lựa chọn đường dựa trên các khả năng về năng lượng và việc đoQoS cộng thêm của mỗi đường và mức ưu tiên của gói Kết quả là mỗi nút Sensor sẽ

lựa chọn được đường để nó định tuyến cho số liệu về Sink.

Ngoài ra, hai thuật toán khác được gọi là “tuyển chọn một người chiến thắng”(single winner election) và “tuyển chọn nhiều người chiến thắng” (multiwinnerelection) điều khiển việc báo hiệu cần thiết và các nhiệm vụ chuyển giao số liệu trong

xử lý thông tin hợp tác nôi bộ

Phân cấp cụm thích ứng với năng lượng thấp (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy- LEACH ): LEACH là một giao thức lập cụm cơ sở (Clustering - Based)nhằm tối thiểu sự suy hao năng lượng trong mạng Sensor Mục đích của LEACH làchọn ngẫu nhiên các nút Sensor như các đầu cụm (cluster-head), vì thế sự suy haonăng lượng lớn trong truyền thông với các trạm gốc được trải ra tới tất cả các nútSensor trong mạng Sensor Hoạt động của LEACH được chia thành hai giai đoạn làgiai đoạn thiết lập và giai đoạn ổn định Khoảng thời gian của giai đoạn ổn định dàihơn so với khoảng thời gian của giai đoạn thiết lập để giảm thiểu phụ tải (overhead).Trong giai đoạn thiết lập, một nút Sensor chọn một số ngẫu nhiên giữa 0 và 1 Nếu số ngẫu nhiên này nhỏ hơn ngưỡng T(n), nút Sensor này là một đầu cụm T(n) được tính như sau : T(n) = với n € G;

T(n) = 0 với n khác;

Với P là phần trăm mong muốn để trở thành một đầu cụm; r là chu kỳ hiên tại và G

là tập các nút không được chọn làm đầu cụm trong 1/P chu kỳ cuối Sau khi đầu cụmđược lựa chọn, các đầu cụm sẽ thông báo tới tất cả các nút Sensor trong mạng rằngchúng là các đầu cụm mới Khi các nút Sensor nhận được thông báo này, chúng xácđịnh cụm mà chúng muốn gia nhập dựa trên độ mạnh tín hiệu của thông báo từ các đầucụm tới các nút Sensor Các nút Sensor báo cáo cho đầu cụm thích hợp rằng chúng sẽ

là một thành viên của một cụm Sau đó, đầu cụm chỉ định thời điểm mà các nút Sensor

có thể gửi số liệu dựa trên phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian(TDMA)

Trong giai đoạn ổn định, các nút Sensor sẽ cảm biến và truyền số liệu tới đầu cụm.Đầu cụm cũng tập hợp số liệu từ các nút trong cụm của chúng trước khi gửi những sốliệu này tới trạm gốc Sau một khoảng thời gian ổn định nào đó, mạng vào lại bắt đầugiai đoạn thiết lập và vào chu kỳ mới trong việc lựa chọn những đầu cụm

Phương thức truyền tin cổ định hướng (Directed Diffusion): trong mô hình phổ biến

số liêu được truyền theo định hướng, nút Sink gửi yêu cầu mô tả về nhiêm vụ (TaskDescription) tới tất cả các nút Sensor như chỉ ra trong hình 2.4(a) Các mô tả nhiêm vụđược đặt tên bằng việc gán các cặp giá trị thuộc tính mô tả nhiêm vụ

Mỗi nút Sensor sau đó lưu trữ mục yêu cầu (Interest Entry) trong cạc (Cache) nhớcủa nó Mục yêu cầu bao gồm một trường nhãn thời gian và các trường chỉ hướng(Gradient field) Khi yêu cầu của Sink được truyền xuyên qua mạng, các chỉ hướng(Gradient) từ nguồn trở về nút nhân được thiết lập như trong hình 2.4(b)

Khi nguồn có số liệu theo yêu cầu, nguồn sẽ gửi số liệu dọc theo các chỉ hướngnhư trong hình 2.4(c) Việc truyền phát, tập hợp số liệu và yêu cầu được xác định mộtcách cục bộ Ngoài ra, bộ nhận phải làm mới lại và tăng cường các yêu cầu khi nó bắtđầu nhận số liệu từ nguồn Chú ý phương thức truyền tin có định hướng dựa trên địnhtuyến số liệu tập trung trong đó, bộ nhận quảng bá yêu cầu

Hình 2 4 Ví dụ về truyền tin định hướng.

2.5.2 Truy nhập truyền dẫn

Yêu cầu giao thức điều khiển truy cập môi trường cho mạng cảm biến.

Yêu cầu đối với giao thức MAC cho mạng Sensor là phải có chiến lược bảo tồnnguồn năng lượng, quản lý di động và khắc phục được những sai hỏng Mặc dù nhiềugiao thức truy nhập môi trường truyền dẫn đã được đề xuất cho MANET, việc thiết kếmột giao thức MAC hiệu quả với kiểu mạng Sensor vẫn là một vấn đề nhỏ

Vì thế, cả hai kiểu “ phân bổ cố định” (Fixed Allocation) và truy nhập ngẫu nhiên(Random Access) trong truy nhập môi trường truyền dẫn đã được đề xuất Phương