Một số kỹ thuật định tuyến trong mạng cảm biến không dây ứng dụng trong điều khiển và giám sát môi trường nhà kính

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN --- --- NGUYỄN THỊ HIẾU MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐỊNH

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

- -

NGUYỄN THỊ HIẾU

MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN TỐI ƯU NĂNG LƯỢNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ỨNG DỤNG

TRONG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG NHÀ KÍNH

Chuyên ngành: Khoa học máy tính

Mã số: 60480101

Luận văn Thạc sỹ khoa học máy tính

Trang 2

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phạm Việt Bình

THÁI NGUYÊN - 2016

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan tất cả các kết quả được trình bày trong luận văn:

“Một số kỹ thuật định tuyến trong mạng cảm biến không dây ứng dụng trong điều khiển và giám sát môi trường nhà kính” là công trình nghiên cứu

của riêng em, không sao chép từ bất kỳ một công trình nào khác Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn được sử dụng là trung thực, đã được kiểm chứng và chưa được công bố trong bất kỳ công trình của tác giả nào khác

Thái Nguyên, ngày 20 tháng 7 năm 2016

HỌC VIÊN Nguyễn Thị Hiếu

Trang 3

LỜI CẢM ƠN

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Phạm Việt Bình - trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông Thái Nguyên đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và định hướng cho em trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Xin trân trọng cảm ơn tới Ban lãnh đạo, các thầy cô giáo trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông Thái Nguyên đã chia sẻ và động viên, tạo điều kiện giúp em vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành tốt công việc nghiên cứu của mình

Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và những người đã luôn ủng

hộ, quan tâm, giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện tốt nhất và là chỗ dựa vững chắc giúp em có thể hoàn thành luận văn

Thái Nguyên, ngày 20 tháng 7 năm 2016

HỌC VIÊN

Nguyễn Thị Hiếu

Trang 4

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 3

1.1 Giới thiệu 3

1.2 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây 4

1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây 5

1.3.1 Lớp vật lý 6

1.3.2 Lớp liên kết dữ liệu 8

1.3.3 Lớp mạng 9

1.3.4 Lớp truyền tải 9

1.3.5 Lớp ứng dụng 9

1.4 Phân loại giao thức định tuyến trong WSN 9

1.5 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 10

1.6 Các tham số đánh giá hiệu quả của giao thức định tuyến 12

1.7 Một số thách thức trong định tuyến của mạng cảm biến không dây13 1.8 Vấn đề tối ưu năng lượng trong mạng cảm biến không dây 16

1.9 Các ứng dụng hệ thống mạng cảm biến không dây [1][4][5] 17

1.9.1 Ứng dụng trong nông nghiệp, lâm nghiệp 17

1.9.2 Ứng dụng trong y tế 18

1.9.3 Ứng dụng trong giám sát môi trường 18

1.9.4 Ứng dụng WSNs trong giao thông 18

1.9.5 Ứng dụng trong gia đình 19

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN TỐI ƯU NĂNG LƯỢNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 21

2.1 Giới thiệu 21

Trang 5

2.2 Thuật toán định tuyến SPIN-EC [4][5] 22

2.3 Thuật toán định tuyến LEACH [4][5] 24

2.4 Thuật toán định tuyến CTP [6] 32

2.5 Thuật toán định tuyến AODV 37

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN AODV TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG NHÀ KÍNH 47

3.1 Đặt vấn đề 47

3.2 Mô hình nhà kính thử nghiệm 47

3.3.Thiết lập hệ thống 48

3.3.1 Phần cứng 48

3.3.2 Ứng dụng thuật toán định tuyến AODV cho hệ thống giám sát môi trường nhà kính 50

3.3.3 Thuật toán cài đặt trên các nút 55

3.4 Kết quả thử nghiệm 59

3.4.1 Giao diện phần mềm 59

3.4.2 Phần cứng của hệ thống giám sát môi trường nhà kính 61

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

Trang 6

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AODV Ad hoc On Demand Distance

Vector

Định tuyến dựa vào chuỗi chỉ hướng theo yêu cầu tạm thời

API Application Programming

Interface Các giao diện lập trình ứng dụng

CDMA Code Division Multiple

AccessCSMA Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm nhận theo

sóng mangCTP Collection Tree Protocol Giao thức cây thu thập dữ liệu

ETX Expected Transmission Số lần truyền kỳ vọng

IEEE Institute of Electrical and

Electronic Engineers Viện kỹ thuật điện và điện tửLEACH Low Clustering Hỉearchy Enery Adaptive

Kiến trúc phân cụm thích ứng năng lượng thấp

MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập kênh

truyềnRREQ Route Request packet Gói yêu cầu tuyến

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

SPIN-EC

Sensor Protocols for information via Negotiation – Enery

Giao thức định tuyến thông qua thương lượng – Bảo tồn năng lượng

TDMA Task Assignment and Data

Trang 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 mô hình mạng cảm biến không dây 4

Hình 1 2 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến [4][5] 6

Hình 1.3 Phân chia kênh vô tuyến trong dải 24Ghz 7

Hình 1.4: Phân loại các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây 15

Hình 1.5: Ứng dụng hệ thống cảm biến không dây trong nông nghiệp 17

Hình 1.6 Minh họa ứng dụng hệ thống cảm biến trong giao thông 19

Hình 1.7 Minh họa ứng dụng hệ thống cảm biến trong dân dụng 20

Hình 2.1 Các bước bắt tay của thuật toán SPIN-EC [5] 22

Hình 2.2 Các bước của thuật toán SPIN-EC [4][5] 23

Hình 2.3 Các bước của thuật toán LEACH [5] 25

Hình 2.4: Lưu đồ thuật toán pha thiết lập của LEACH 27

Hình 2.5: Sơ đồ thuật toán pha ổn định trong LEACH 29

Hình 2.6: Minh họa hoạt động của một pha ổn định trong LEACH 30

Hình 2.7: Minh họa ETXlink của một liên kết 33

Hình 2.8: Minh họa ETXlink của một liên kết [6] 34

Hình 2.9: Minh họa các thành phần của kỹ thuật CTP 34

Hình 2.10: Mô tả quá trình tìm đường trong AODV 38

Hình 3.1 Mô hình thử nghiệm 47

Hình 3.2 Sơ đồ khối của nút cảm biến 49

Hình 3.3 Thiết lập chức năng nút chủ 51

Hình 3.4 Thiết lập tham số cho nút chủ 52

Hình 3.5 Thiết lập chức năng nút định tuyến 52

Hình 3.6 Thiết lập tham số cho nút định tuyến 53

Hình 3.7 Thiết lập nút thu thập 53

Hình 3.8 Thiết lập tham số cho nút thu thập 54

Trang 8

Hình 3.9 Thuật toán cho nút thu thập 55

Hình 3.10 Thuật toán cho nút định tuyến 56

Hình 3.13 Giao diện giám sát môi trường không khí 59

Hình 3.14 Giao diện giám sát môi trường giá thể 60

Hình 3.15 Giao diện cài đặt truyền thông 60

Hình 3.16 Nút thu thập số liệu môi trường không khí 61

Hình 3.17 Nút thu thập số liệu môi trường giá thể 61

Hình 3.18 Mô hình hệ thống giám sát môi trường nhà kính 62

Trang 9

MỞ ĐẦU

Những năm gần đây, nhờ có sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật cùng với những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ chế tạo đã tạo điều kiện cho một thế hệ mạng mới ra đời - mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network-WSN) Với kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng, mạng cảm biến không dây đang được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng sâu rộng trong đời sống hàng ngày trên khắp các lĩnh vực như y tế, quân sự, môi trường, giao thông

Tuy nhiên do mạng cảm biến không dây sử dùng truyền dẫn thông tin bằng môi trường vô tuyến, nên với cách thức truyền thông này xảy ra sự mất mất dữ liệu do môi trường vô tuyến không ổn định Đây là thách thức lớn đối với quá trình truyền thông trong WSN, cũng như cần phải thiết kế được những mạng cảm biến truyền thông đa chặng và có thể giảm thiểu tối đa sự mất mát dữ liệu trong quá trình truyền thông

Trong khi đó, các nghiên cứu về WSN đã chỉ ra rằng có tới trên 70% năng lượng của hệ thống mạng bị tiêu hao là do quá trình truyền thông Bởi vậy, việc tiết kiệm năng lượng trong quá trình định tuyến cho giao thức định tuyến là bài toán đang được nhiều nhà ngiên cứu quan tâm bởi tính khoa học

và khả năng ứng dụng trong thực tiễn

Nhận thấy tầm quan trọng này, em đã lựa chọn và nghiên cứu đề tài

“Một số kỹ thuật định tuyến tối ưu năng lượng của mạng cảm biến không dây ứng dụng trong điều khiển và giám sát môi trường kính” Đề tài tập trung vào việc nghiên cứu một số kỹ thuật định tuyến tối ưu năng lượng và từ đó lựa chọn xây dựng mô hình hệ thống này để làm cơ sở đánh giá một số thuật toán định tuyến tối ưu năng lượng trong mạng cảm biến không dây

Trang 10

Luận văn gồm có 3 chương:

Chương 1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Tìm hiểu về khái niệm, cấu trúc, đặc điểm và ứng dụng của mạng cảm biến không dây

Chương 2 Một số thuật toán tối ưu năng lượng của mạng cảm biến không dây

Chương này tìm hiểu một số thuật toán định tuyến và vấn đề tối ưu năng lượng trong mạng cảm biến, làm cơ sở khoa học để nghiên cứu các thuật toán định tuyến tối ưu năng lượng ứng dụng trong môi trường nhà kính

Chương 3 Ứng dụng thuật toán định tuyến AODV trong hệ thống giám sát môi trường nhà kính

Nội dung trình bày về cách thức cài đặt thuật toán định tuyến AODV ứng dụng trong môi trường nhà kính, kết quả thử nghiệm, đánh giá

Cuối cùng là phần kết luận về kết quả thực hiện và hướng phát triển của Luận văn

Trang 11

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

1.1 Giới thiệu

Cuộc cánh mạng kỹ thuật số của thế kỷ 21 đã và đang diễn ra với tốc

độ và quy mô lớn hơn nhiều so với cuộc cách mạng kỹ thuật số trước đây Những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ gần đây nói chung và sự hội tụ của

hệ thống các công nghệ như kỹ thuât vi điện tử, công nghệ mạch tích hợp, giao tiếp không dây, công nghệ nano, vi mạch cảm biến, xử lý và tính toán tín hiệu nói riêng, đã tạo tiền đề cho những thiết bị cảm biến có kích thước nhỏ,

đa chức năng, công suất tiêu thụ thấp ra đời

Mạng cảm biến không dây có thể hiểu đơn giản là mạng của các đối tượng thông minh Trong đó mỗi nút mạng cảm biến không dây bao gồm một

bộ thu phát vô tuyến, một bộ vi xử lý, và các cảm biến Mạng cảm biến liên kết các nút cảm biến với nhau thông qua giao tiếp không dây trong đó các nút trong mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, đa chức năng, công suất tiêu thụ thấp và có số lượng lớn, được phân bố một cách không có hệ thống (non-topology) trên một diện tích rộng lớn (phạm vi hoạt động rộng), sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu dài (vài tháng đến vài năm) có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán, thu thập, tập trung dữ liệu để đưa ra các quyết định toàn cục về môi trường tự nhiên [3]

Các nút cảm biến thường có chức năng sensing (sensor node): cảm ứng, quan sát môi trường xung quanh như: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng theo dõi hay định vị các mục tiêu cố định hoặc di động [4][5] Các nút giao tiếp ad-hoc với nhau và truyền dữ liệu về trung tâm (base station) một cách gián tiếp bằng kỹ thuật đa chặng như hình 1.1

Trang 12

Hình 1.1 mô hình mạng cảm biến không dây

Qua đó ta thấy rằng, các nút cảm biến được bố trí ở vị trí xa, khó đi lại hoặc không thuận lợi cho việc cung cấp nguồn năng lượng cho các nút cảm biến Bởi vậy, việc tiết kiệm năng lượng tiêu thụ hiệu quả là chủ đề nghiên cứu rất được quan tâm trong lĩnh vực mạng cảm biến không dây, trong đó có chủ đề

kỹ thuật định tuyến tối ưu năng lượng trong mạng cảm biến không dây

1.2 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây khác với các mạng thông thường, nó có một

số đặc điểm nổi bật như sau:

- Mạng cảm biến không dây thường được triển khai trên một phạm vi rộng, số lượng node mạng lớn và được phân bố một cách tương đối ngẫu nhiên, các node mạng có thể di chuyển làm thay đổi sơ đồ mạng do vậy mạng cảm biến không dây đòi hỏi một sơ đồ mạng linh động và các node mạng có khả năng tự điều chỉnh, tự cấu hình

Trang 13

- WSN không sử dụng được các cơ chế và giao thức truyền thông phổ biến dùng cho mạng máy tính như 802.11 mà đòi hỏi phải có cơ chế và giao thức truyền vô tuyến riêng

- Do giới hạn về nguồn năng lượng cung cấp (pin ), giá thành và yêu cầu hoạt động trong một thời gian dài, nên vấn đề tiêu thụ năng lượng là tiêu chí thiết kế quan trọng nhất trong mạng cảm biến

- Các thiết bị trong mạng cảm biến không dây có thời gian hoạt động lâu dài (từ vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ )

- Các node trong mạng cảm biến không dây có thể di động làm phức tạp hóa vấn đề định tuyến trong mạng

- Giới hạn về năng lực tính toán (Chip vi xử lý, bộ nhớ hạn chế) của từng node mạng cũng như để tiết kiệm năng lượng, mạng cảm biến không dây thường sử dụng các phương pháp tính toán và xử lý tín hiệu phi tập trung (giảm tải cho node gần hết năng lượng) hoặc gửi dữ liệu cần tính toán cho các node có khả năng xử lý tín hiệu mạnh và ít ràng buộc về tiêu thụ năng lượng

1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây

Kiến trúc giao thức áp dụng cho WSN được trình bày trong hình 1.2 Kiến trúc này bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý Các mặt phẳng quản lý này làm cho các nút có thể làm việc cùng nhau theo cách có hiệu quả nhất, định tuyến

dữ liệu trong mạng cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến

Trang 14

Hình 1 2 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến [4][5]

Mặt phẳng quản lý công suất: Quản lý cách cảm biến sử dụng

nguồn năng lượng của nó Ví dụ : Nút cảm biến có thể tắt bộ thu sau khi nhận được một bản tin Khi mức công suất của nút cảm biến thấp, nó sẽ quảng bá sang các nút cảm biến lân cận để thông báo rằng mức năng lượng của nó thấp

và nó không thể tham gia vào quá trình định tuyến

Mặt phẳng quản lý di động: Có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự

chuyển động của các nút cảm biến Các nút cảm biến giữ nhiệm vụ theo dõi xem nút nào là nút hàng xóm của chúng

Mặt phẳng quản lý: Cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các

nút trong một vùng quan tâm Không phải tất cả các nút cảm biến đều thực hiện nhiệm vụ cảm nhận ở cùng một thời điểm

1.3.1 Lớp vật lý

Lớp vật lý xác định tần số vô tuyến vật lý mà tại đó sóng vô tuyến hoạt động, phương thức điều chế vô tuyến và mã hóa tín hiệu vô tuyến

Trang 15

Lớp vật lý của WSN tuân theo chuẩn IEEE 802.15.4 hoạt động trên 3 băng tần số vô tuyến được cấp phép miễn phí Bởi vì những điều chỉnh vô tuyến cục bộ, nên tần số chính xác là khác nhau ở những nơi khác nhau trên thế giới Tại Hoa Kỳ, IEEE 802.15.4 sử dụng băng tần 902-928MHz Tại châu Âu, 802.15.4 sử dụng băng tần 868- 868.8MHz Phần còn lại của thế giới, 802.15.4 sử dụng băng tần 2400-2483.5MHz

IEEE 802.15.4 định nghĩa 26 kênh khác nhau hoạt động Trong mỗi băng tần, có một số kênh quy định, như trong hình 1.3 Channel 0 được quy định chỉ ở châu Âu, và nằm trên băng 868MHz Các kênh từ 1-10 được quy định chỉ ở Hoa Kỳ trên băng 902-982MHz Khoảng cách giữa các kênh là 2MHz

Các kênh từ 11-26 được quy định trên băng tần 2,4 GHz Các kênh được định nghĩa với khoảng cách giữa các kênh là 5MHz

IEEE 802.15.4 sử dụng hai loại điều chế vô tuyến, tùy thuộc vào tần số kênh Các kênh từ 0-10 sử dụng khoá dịch pha nhị phân (BPSK), trong khi đó các kênh từ 11-26 sử dụng khoá dịch pha vuông góc (QPSK) Trên tất cả các kênh, IEEE 802.15.4 sử dụng điều chế trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS)

Hình 1.3 Phân chia kênh vô tuyến trong dải 24Ghz

Trang 16

Giống như kỹ thuật điều chế, tốc độ bit là phụ thuộc vào kênh vô tuyến Tốc độ bit của kênh là 0 là 20000 bit/s Đối với các kênh từ 1-10, tốc độ bit là

40000 bit/s, và cho các kênh 11-26 tốc độ bit là 250.000 bit/s

Các kênh vô tuyến IEEE 802.15.4 trong băng tần 2.4GHz chia sẻ tần số

vô tuyến của chúng với 802.11(WiFi) và có một sự chồng lấn với các kênh 802.11 Bởi vì 802.11 có một công suất đầu ra cao hơn nhiều, nên lưu lượng 802.11 làm nhiễu lưu lượng theo chuẩn 802.15.4 Hình 1.3 cho thấy sự chồng lấn giữa 802.15.4 và 802.11 Tất cả kênh 802.15.4 ngoại trừ kênh 25 và 26 được bao bọc bởi các kênh 802.11 Khi các kênh 1, 6 và 11 của 802.11 được

sử dụng, thì có 2 kênh của 802.15.4 (là kênh 15 và 20) không thấy sự can nhiễu từ lưu lượng 802.11 Tuy nhiên, việc gán các kênh này tùy thuộc vào những thay đổi ở những khu vực pháp lý khác nhau và có thể thay đổi theo thời gian

Kênh 25 và 26 không được bao bọc bởi các kênh 802.11 Khi các kênh

1, 6 và 11 của 802.11 được sử dụng, hai kênh 15 và 20 của 802.15.4 không bị ảnh hưởng bởi 802.11

an toàn để gửi các bản tin

Lớp IEEE 802.15.4 MAC cung cấp việc quản lý truy cập kênh, xác nhận sự hợp lệ các khung đến và xác nhận sự tiếp nhận khung Ngoài ra, 802.15.4 MAC cung cấp các cơ chế tùy chọn cho cơ chế đa truy cập phân chia thời gian (TDMA) để truy cập kênh truyền

Trang 17

1.3.3 Lớp mạng

Lớp mạng quan tâm đến định tuyến dữ liệu được cung cấp bởi lớp truyền tải Lớp mạng đóng vai trò rất quan trọng nhằm thực hiện việc định tuyến cho quá trình truyền thông của toàn bộ hệ thống mạng cảm biến không dây

1.3.4 Lớp truyền tải

Lớp truyền tải duy trì luồng dữ liệu nếu ứng dụng WSNs yêu cầu và cung cấp các dịch vụ như khôi phục, điều khiển tắc nghẽn, phân đoạn và sắp xếp gói

1.3.5 Lớp ứng dụng

Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng khác nhau

có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng Các nghiên cứu dựa trên tầng này để phát triển ứng dụng hoặc cài đặt thuật toán đảm bảo tính tối ưu cho toàn bộ hệ thống trong tầng ứng dụng của WSN

1.4 Phân loại giao thức định tuyến trong WSN

Trong thời gian qua, đã có nhiều giao thức định tuyến khác nhau được

đề xuất cho mạng cảm biến không dây Các giao thức định tuyến này có thể được phân loại thành bốn nhóm sau: Định tuyến phẳng, định tuyến phân cấp, định tuyến dựa vào thông tin vị trí và định tuyến dựa vào chất lượng dịch vụ Hình 1.4 trình bày một số giao thức định tuyến thuộc bốn nhóm này

Hình 1.4: Phân loại các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây [4]

Trang 18

Bên cạnh những thuật toán định tuyến trên, thì hiện nay người ta sử dụng chuẩn Zigbee để thực hiện việc thiết lập môi trường truyền thông không dây trong mạng cảm biến Chuẩn Zigbee là chuẩn được dùng phổ biến bởi ưu điểm như tiêu hao ít năng lượng, chi phí thấp [7] Chuẩn Zigbee có thể dùng được trong các mạng mắt lưới Các thiết bị không dây sử dụng công nghệ ZigBee có thể dễ dàng truyền tin trong khoảng cách 10-75m tùy thuộc vào môi trường truyền và mức công suất phát được yêu cầu với mỗi ứng dụng Tốc độ dữ liệu là 250kbps ở dải tần 2.4GHz (toàn cầu), 40kbps ở dải tần 915MHz (Mỹ+Nhật) và 20kbps ở dải tần 868MHz (Châu Âu)

Mô hình mạng Zigbee hỗ trợ ba loại mô hình chính đó là mạng sao, mạng hình cây và mạng sơ đồ lưới Tùy theo mô hình mà nút cảm biến được phân chia theo mức độ khác nhau như ZC, ZR và ED Cơ chế định tuyến của chuẩn Zigbee cũng được thiết kế ở tầng mạng với kỹ thuật định tuyến như AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector), thuật toán hình cây… Trong chương 2 của luận văn sẽ trình bày chi tiết hơn một số kỹ thuật định tuyến tiêu biểu

1.5 Cấu trúc mạng cảm biến không dây

Cấu trúc mạng cảm biến không dây cần thiết kế sao cho sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên hạn chế của từng nút trong mạng nhằm kéo dài thời gian sống của mạng Vì vậy, thiết kế cấu trúc và kiến trúc mạng cảm biến không dây cần phải quan tâm đến các yếu tố sau:

- Giao tiếp không dây đa chặng: Giao tiếp không dây có nhiều hạn chế như nhiễu môi trường, gặp vật cản,… hoặc nút thu và phát cách xa nhau nên cần nút trung gian chuyển tiếp nhằm giảm công suất phát, tiết kiệm năng lượng Do đó, việc đa chặng trong mạng cảm biến không dây là cần thiết trong quá trình thiết kế và xây dưng mạng cảm biến không dây

Trang 19

- Sử dụng hiệu quả năng lượng: điều này sẽ giúp trong việc hỗ trợ kéo dài thời gian sống của mạng

- Cộng tác, xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: cần có kết hợp giữa các dữ liệu của một hay nhiều nút để chuyển tới được nút gốc từ đó tiết kiệm được băng thông, năng lượng

Hiện nay, cấu trúc mạng cảm biến không dây được chia thành các cấu trúc như sau:

- Cấu trúc phẳng: Trong cấu trúc này, tất cả các nút đều ngang hàng và đồng nhất trong hình dạng và chức năng Các nút giao tiếp với trạm gốc thông qua truyền thông đa chặng, sử dụng các nút trung gian làm bộ tiếp sóng

- Cấu trúc phân cấp: trong cấu trúc này thì phân thành các cụm, mỗi cụm có nút chủ cụm Các nút trong cụm thu thập số liệu rồi gửi đơn chặng hay đa chặng tới nút chủ cụm Do đó, cấu trúc này tạo thành hệ thống cấp bậc

mà mỗi nút có mức độ cấp bậc khác nhau, từ đó có các nhiệm vụ đã được xác định trước Tức là chức năng sẽ được phân cấp như thực hiện việc thu thập số liệu, tín toán số liệu, hoặc phân phối số liệu…

Theo các nghiên cứu về mạng cảm biến không dây thì mạng cảm biến không dây theo cấu trúc phân cấp hoạt động hiệu quả hơn so với dạng cấu trúc phẳng bởi những lý do sau:

+ Cấu trúc phân cấp giảm được chi phí mạng cảm biến không dây bằng việc xác định được tài nguyên của mỗi nút trong quá trình thiết kế, đảm bảo được tối ưu và hiệu quả nhất Điều này giúp cho giảm chi phí, tránh được lãng phí cho toàn mạng

+ Thời gian sống của cấu trúc phân cấp cao hơn so với cấu trúc phẳng Bởi vì, khi thực hiện tính toán sẽ được đơn vị xử lý phân cấp thực hiện, với

Trang 20

tài nguyên đảm bảo nên thực hiện tính toán nhanh hơn và hiệu quả hơn Các nút thực hiện việc thu thập cần ít tài nguyên, ít tiêu thụ năng lượng và chỉ xử

lý các yêu cầu tối thiểu Điều này giúp toàn mạng có được hiệu năng tốt nhất

1.6 Các tham số đánh giá hiệu quả của giao thức định tuyến

Trong các giao thức định tuyến, thước đo định tuyến là thành phần quan trọng của chiến lược định tuyến Giao thức định tuyến sẽ tính toán đường đi ngắn nhất dựa trên các thước đo định tuyến này Một số thước đo định tuyến có thể được sử dụng trong mạng cảm biến không dây như:

Độ tin cậy của liên kết: Rất nhiều bài báo nghiên cứu đã khảo sát các thước đo đánh giá độ tin cậy cho các liên kết tổn hao cũng như các liên kết công suất thấp Thước đo đánh giá độ tin cậy được sử dụng phổ biến nhất là

số lần truyền kỳ vọng ETX (Expected Transmission) Số lần truyền kỳ vọng ETX đặc trưng cho số lần truyền dẫn bản tin trung bình cần thiết để truyền

thành công một bản tin

Độ trễ: Được sử dụng để thông báo trễ tuyến đường Độ trễ có thể được

sử dụng như một thước đo hoặc một ràng buộc Khi được sử dụng như một thước đo thì đối tượng trễ biểu diễn tổng lượng trễ và trễ lớn nhất hay nhỏ nhất dọc theo tuyến đường Khi được sử dụng như một ràng buộc thì độ trễ có thể được sử dụng để loại bỏ các liên kết có độ trễ lớn hơn một giá trị ngưỡng cho trước

Số bước nhảy: Xác định số bước nhảy dọc theo tuyến đường từ nút nguồn đến nút đích

Năng lượng của nút: Đây là một thước đo quan trọng trong mạng cảm biến không dây Một vài thông số để mô tả năng lượng của một nút đã được

đề xuất bao gồm: Chế độ nguồn năng lượng tiêu thụ của nút, năng lượng còn lại của một nút

Trang 21

1.7 Một số thách thức trong định tuyến của mạng cảm biến không dây

Với các đặc điểm của mạng cảm biến không dây đã làm cho việc phát triển mô hình định tuyến cho các mạng này gặp nhiều khó khăn và thách thức trong quá trình nghiên cứu trong lĩnh vực hệ thống mạng cảm biến không dây Dưới đây là một số thách thức cần phải giải quyết khi nghiên cứu và phát triển giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây:

Thời gian sống dự kiến của một mạng cảm biến không dây có thể kéo

dài từ 1 đến 10 năm tùy thuộc vào từng ứng dụng Nguồn năng lượng được tích trữ phụ thuộc vào dung lượng của pin Các nút cảm biến không dây có kích thước rất nhỏ nên nguồn năng lượng của chúng cũng bị hạn chế Điều này dẫn đến những ràng buộc khắt khe cho mọi hoạt động của các nút cảm biến Trong cấu trúc phần cứng của nút cảm biến không dây, bộ thu phát vô tuyến là một trong những thành phần tiêu thụ năng lượng nhiều nhất Do đó, giao thức định tuyến sẽ có ảnh hưởng nhiều đến thời gian sống của toàn mạng Ngoài ra, mỗi nút cảm biến thực hiện đồng thời cả hai chức năng đó là: Chức năng khởi tạo dữ liệu và chức năng định tuyến dữ liệu Một số nút bị ngừng hoạt động có thể gây ra những thay đổi về cấu trúc liên kết mạng và có thể cần phải tổ chức lại mạng Để giảm năng lượng tiêu thụ thì các thuật toán định tuyến được đề xuất cho mạng cảm biến không dây sử dụng chiến thuật định tuyến hiệu quả về năng lượng với một số cách tiếp cận khác nhau như các phương thức phân nhóm, phân công vai trò riêng cho các nút trong mạng, tập hợp dữ liệu

Khả năng mở rộng là một vấn đề quan trọng trong mạng cảm biến

không dây Giao thức định tuyến cần phải hoạt động hiệu quả trong các mạng lớn bao gồm hàng ngàn các nút cảm biến Việc định tuyến trong các trường

Trang 22

hợp này gặp nhiều khó khăn bởi vì các nút cảm biến có khả năng xử lý và bộ nhớ lưu trữ rất hạn chế

Khả năng lưu trữ và tính toán của các nút cảm biến đã làm hạn chế

nhiều đến các giao thức định tuyến Do đó, các thuật toán định tuyến đơn giản, gọn nhẹ cần phải được nghiên cứu và phát triển cho các mạng cảm biến không dây Thách thức này có thể được giải quyết với một chi phí thấp bằng cách sử dụng một số nút cảm biến có khả năng lưu trữ lớn hơn và tốc độ tính toán nhanh hơn Những mạng không đồng nhất như vậy cần phải được xem xét đến khi thiết kế giao thức định tuyến

Các nút không đồng nhất cần phải được tính đến khi thiết kế giao

thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây Có hai nguyên nhân chính dẫn đến việc các nút trong mạng không đồng nhất Thứ nhất là hoàn toàn có thể tăng được hiệu năng của mạng thông qua việc triển khai một số nút mạng

có năng lượng, có khả năng lưu trữ và tính toán tốt hơn các nút còn lại trong mạng Các nút này đóng vai trò là các nút chủ cụm để chuyển tiếp lưu lượng của các nút khác đến nút gốc Thứ hai là sự khác biệt giữa các nút cảm biến

có thể phát sinh trong quá trình hoạt động của mạng Một số nút cảm biến có thể phải thực hiện nhiều nhiệm vụ hơn dẫn đến việc chúng bị hết năng lượng nhanh hơn các nút khác Do đó, giao thức định tuyến cần phải tránh việc chuyển tiếp các bản tin thông qua các nút mạng có trạng thái nguồn năng lượng còn lại ở mức thấp để bù lại sự không đồng đều về năng lượng giữa các nút trong mạng

Sự triển khai các nút mạng trong mạng cảm biến không dây phụ

thuộc vào ứng dụng Quá trình triển khai các nút cảm biến có thể là ngẫu nhiên hoặc cũng có thể được xác định trước vị trí của từng nút trong mạng Trong trường hợp triển khai ngẫu nhiên, các nút cảm biến bị phân tán ngẫu

Trang 23

nhiên và các tuyến đường cần phải được xác định theo cách phân tán Trong trường hợp còn lại, các nút cảm biến được triển khai thủ công và các bản tin

có thể được chuyển tiếp thông qua các tuyến đường đã được xác định trước Trong trường hợp mạng có kích thước lớn thì việc xác định tuyến đường sẽ được phân cấp

Khả năng chịu lỗi cũng cần phải được quan tâm khi định tuyến các

bản tin Tuy nhiên, khi một nút bị lỗi thì nó sẽ ảnh hưởng đến toàn bộ các hoạt động chung của mạng Các thuật toán định tuyến cần phải có các tuyến đường dự phòng hoặc xây dựng kịp thời một tuyến đường khác trong trường hợp liên kết mạng bị lỗi

Phạm vi truyền thông có ảnh hưởng nhiều đến hoạt động của mạng

Các nút cảm biến có thể thay đổi công suất phát để tăng phạm vi truyền nhưng cùng với đó là sự tiêu hao nhiều hơn về nguồn năng lượng Việc gửi các bản tin với công suất phát hạn chế, qua một khoảng cách ngắn có thể kéo dài thời gian sống của một nút mạng nhưng cũng làm tăng trễ truyền bản tin Ngược lại, khi phạm vi truyền thông được mở rộng thì tổng năng lượng được

sử dụng cho việc xử lý các bản tin tại các nút trung gian sẽ giảm nhưng nhiễu trong mạng cũng có thể xuất hiện nhiều hơn

Chất lượng dịch vụ (QoS) đặc trưng cho các yêu cầu dịch vụ cần được

đáp ứng khi vận chuyển một luồng bản tin từ nguồn đến đích Tuy nhiên, những yêu cầu ràng buộc về chất lượng dịch vụ trong các ứng dụng mạng cảm biến không dây có thể rất khác so với các mạng truyền thống Các tham

số chất lượng dịch vụ trong các mạng truyền thống có thể chưa đủ để mô tả chúng Ngoài các tham số cơ bản như độ trễ thì còn có một số tham số khác như: Lỗi phân loại sự kiện (các sự kiện không chỉ được phát hiện mà còn được phân loại và xác suất lỗi phân loại sự kiện cần phải thấp), trễ phát hiện

Trang 24

sự kiện (là độ trễ được tính từ thời điểm phát hiện một sự kiện và thời điểm gửi thông báo đến nút gốc), độ chính xác của việc bám mục tiêu (trong trường hợp ứng dụng bám mục tiêu thì vị trí của đối tượng cần phải được thông báo gần với vị trí của đối tượng trong thế giới thực nhất có thể)

Vấn đề di động có thể gặp phải trong một số ứng dụng của mạng cảm

biến không dây Các nút cảm biến có thể cố định hoặc di động Do đó, việc định tuyến các bản tin trở nên phức tạp hơn Ngoài ra, trong một số trường hợp các nút gốc có thể di chuyển và điều này cũng cần phải tính đến khi thiết

kế các mô hình định tuyến

1.8 Vấn đề tối ưu năng lượng trong mạng cảm biến không dây

Trong mạng cảm biến không dây, việc tối ưu năng lượng tiêu thụ sẽ giúp cho việc kéo dài thời gian sống của mạng, cũng như mỗi nút cảm biến Bởi vậy, vấn đề tối ưu năng lượng trong mạng cảm biến không dây cần quan tâm đến những nội dung sau:

- Tiết kiệm năng lượng ở lớp vật lý: Sử dụng thiết bị phần cứng có công suất thấp như thiết bị thu phát không dây, các cảm biến được tích hợp,… Đồng thời, cần sử dụng phương pháp điều chế số như QPSK, FSK, cũng như

kỹ thuật sửa lỗi, kỹ thuật giảm nhiễu vô tuyến,…

- Tiết kiệm năng lượng ở lớp MAC: Sử dụng kỹ thuật đa truy cập TDMA, CSMA-CA hiệu chỉnh nhằm mục đích giảm thiểu năng lượng tiêu thụ của lớp này

- Tiết kiệm năng lượng trong kỹ thuật định tuyến: Theo thống kê có tới 70% năng lượng được tiêu thụ trong quá trình truyền thông của mạng cảm biến không dây Bởi vậy, việc xác định được đường đi tối ưu hay kỹ thuật định tuyến tối ưu sẽ giúp cho việc tối ưu được năng lượng tiêu thụ của mạng cảm biến không dây

Trang 25

- Tiết kiệm năng lượng trong quản lý bảo mật: Sử dụng cơ chế bảo mật tối ưu, quản lý khóa bảo mật khi một nút từ bỏ mạng cảm biến không dây, hoặc quản lý một nhóm những nút trong mạng bắt đầu trao đổi thông tin với nhau sao cho hiệu quả nhất, cần ít bản tin trao đổi nhất Từ đó sẽ tiết kiệm được năng lượng tiêu thụ của mạng

1.9 Các ứng dụng hệ thống mạng cảm biến không dây [1][4][5]

1.9.1 Ứng dụng trong nông nghiệp, lâm nghiệp

Mạng cảm ứng có thể được triển khai trên các khu vực rừng, đồng ruộng rộng lớn để đưa ra các cảnh báo và hành động kịp thời Trong nông nghiệp, các nút cảm biến có thể được gắn vào các hạt giống để kiểm tra độ ẩm trong đất, sự tăng trưởng của cây Các hệ thống mạng cảm biến không dây được ứng dụng ngày càng phổ biến ở nước ta và trên thế giới Hệ thống mạng cảm biến này sẽ hỗ trợ cho nông dân thu thập thông số môi trường trên diện tích rộng lớn một cách nhanh chóng và chính xác Các tham số này có thể là

độ ẩm đất, độ ẩm môi trường, nhiệt độ, ánh sáng, chất dinh dưỡng,…

Hình 1.5: Ứng dụng hệ thống cảm biến không dây trong nông nghiệp

Trang 26

1.9.2 Ứng dụng trong y tế

Các nút cảm biến có thể được gắn vào cơ thể, ví dụ như ở dưới da để

đo các thông số của máu, nhịp tim,… Từ đó, hệ thống cảm biến sẽ xử lý và đưa ra những cảnh báo và phát hiện sớm các bệnh như ung thư, nhờ đó việc chữa bệnh sẽ dễ dàng hơn Trên thực tế, đã tồn tại những video sensor rất nhỏ

có thể nuốt vào trong người, dùng một lần và được bọc vỏ hoàn toàn, nguồn nuôi của thiết bị này đủ để hoạt động trong 24 giờ Trong thời gian đó, chúng gửi hình ảnh về bên trong con người sang một thiết bị khác mà không cần phải phẫu thuật Các bác sĩ có thể dựa vào đó để chuẩn đoán và điều trị

1.9.3 Ứng dụng trong giám sát môi trường

Một số ứng dụng môi trường của mạng cảm biến không dây là dùng để theo dõi sự di cư của các loài chim, các động vật nhỏ, các loại côn trùng, theo dõi điều kiện môi trường mà ảnh hưởng đến mùa màng và vật nuôi, việc tưới tiêu, phát hiện lũ lụt, cháy rừng, ô nhiễm khí quyển Đồng thời, hệ thống có thể cảnh báo lũ lụt, thiên tai thông qua các cảm biến đo thông số môi trường

và truyền về trung tâm khí tượng thủy văn để phân tích và đánh giá Những hệ thống cảnh báo lũ này đã và đang được triển khai ở nhiều nơi trên thế giới, đặc biệt thành công trên thị trường Mỹ Hiện nay ở Việt Nam cũng đã có một

số hệ thống đo mực nước ở sông Hồng sử dụng mạng cảm biến không dây

1.9.4 Ứng dụng WSNs trong giao thông

Với phạm vi ứng dụng này, thì các cảm biến được gắn trên các phương tiện giao thông để chúng có thể xác định được vị trí của nhau, nhận biết được các biển báo hay tắc đường, từ đó định tuyến nhằm giảm thiểu ách tắc, tai nạn giao thông giúp cho việc điều khiển luồng tốt hơn Hiện nay một số nước đã ứng dụng hệ thống thu phí tự động sử dụng cảm biến không dây tại các trạm

Trang 27

thu phí làm giảm bớt đáng kể thời gian và các thủ tục phiền hà trong thu phí giao thông

Hình 1.6 Minh họa ứng dụng hệ thống cảm biến trong giao thông

1.9.5 Ứng dụng trong gia đình

Trong lĩnh vực tự động hóa gia đình, các nút cảm biến được đặt ở các phòng để đo nhiệt độ, độ ẩm, cảnh báo cháy Điển hình ngày của ứng dụng loại này là ngôi nhà thông minh (Smart Home) SmartHome kết nối sản phẩm điện tử gia dụng thành mạng thiết bị và hoạt động theo các kịch bản khác nhau nhằm tạo môi trường sống tiện nghi, an toàn và tiết kiệm năng lượng Chẳng hạn, khi có người bước vào nhà, hệ thống đèn sẽ tự bật nhờ thiết bị cảm biến hồng ngoại Đèn chiếu sáng còn có thể điều chỉnh ánh sáng, màu sắc theo sở thích của chủ nhân Khi thiết bị chiếu phim hoạt động, hệ thống đèn tự động giảm độ sáng, rèm cửa cũng tự động khép lại để tạo không khí của một phòng chiếu phim Tùy theo nhu cầu, người sử dụng có thể cấu hình

hệ thống hoạt động theo những kịch bản bất kỳ như lập trình hẹn giờ tắt đèn khi đi ngủ, đổ thức ăn vào bể cá khi vắng nhà, hoặc nếu quên tắt TV, bếp gas , khi tới công sở, họ có thể gửi tin nhắn qua điện thoại di động để điều khiển thiết bị từ xa

Trang 28

Hình 1.7 Minh họa ứng dụng hệ thống cảm biến trong dân dụng

Trang 29

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN TỐI ƯU NĂNG LƯỢNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

2.1 Giới thiệu

Vấn đề năng lượng tiêu thụ của nút cảm biến rất quan trọng bởi vì nhiều nút cảm biến bị hạn chế về nguồn năng lượng Các nút cảm biến không dây có thể hoạt động bằng pin hoặc cũng có thể từ các nguồn năng lượng khác được tích trữ từ môi trường (năng lượng mặt trời) Trong cả hai trường hợp, năng lượng đều là một nguồn tài nguyên hạn chế Để kéo dài thời gian sống của mạng thì phần mềm trên các nút cảm biến cần phải quản lý năng lượng tiêu thụ một cách hiệu quả

Hạn chế về tài nguyên năng lượng đã ảnh hưởng nhiều đến việc thiết kế phần cứng, phần mềm, giao thức mạng và cả kiến trúc mạng Các nhà thiết kế phần cứng bắt buộc phải lựa chọn các linh kiện phần cứng có công suất thấp cũng như hỗ trợ chế độ ngủ hiệu quả về mặt năng lượng Phần mềm chạy trên các nút cảm biến không dây cần phải tắt các thành phần phần cứng không sử dụng và đặt các thành phần phần cứng ở chế độ ngủ càng nhiều càng tốt Nhờ sự

hỗ trợ của các nhà phát triển phần mềm, các nút mạng cảm biến có thể chạy hệ điều hành hỗ trợ các cơ chế hoạt động công suất thấp giúp tiết kiệm năng lượng

Vấn đề hiệu quả năng lượng ảnh hưởng nhiều đến kiến trúc mạng cũng như việc thiết kế các giao thức mạng Trong mạng, quá trình truyền thông tiêu tốn nhiều năng lượng, điều quan trọng là cần xây dựng được các giao thức truyền thông sao cho các nút cảm biến có thể sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên sẵn có Do đó, phần cứng và phần mềm cần xác định được sự tiêu hao

về năng lượng và cung cấp thông tin này đến tầng mạng để phục vụ cho việc định tuyến dữ liệu

Trang 30

2.2 Thuật toán định tuyến SPIN-EC [4][5]

Thuật toán định tuyến SPIN-EC (Sensor Protocols for Information via Negotiation - Energy Consumption) là thuật toán cải tiến về xác định ngưỡng năng lượng của mỗi nút cảm biến trước khi thực hiện việc truyền thông

Ý tưởng của thuật toán này như sau:

- Thuật toán này không gửi tất cả bản tin dữ liệu mà thực hiện việc dàn xếp với nhau thông qua các bản tin thông báo Bởi vậy, nút sẽ quan sát được

và chỉ gửi dữ liệu đến nơi mà có quan tâm đến dữ liệu

- Mỗi nút sẽ có giám sát tài nguyên năng lượng của mình Tài nguyên năng lượng này sẽ được sử dụng để thực hiện các quyết định xem có tham gia truyền thông hay không (khi ở dưới ngưỡng nào đó)

Quá trình định tuyến của giao thức SPIN-EC được thực hiện thông qua

3 bước cơ bản như minh họa dưới đây:

Hình 2.1 Các bước bắt tay của thuật toán SPIN-EC [5]

Qua hình vẽ, chúng ta tóm tắt như sau:

Bước 1: ADV gửi một mô tả về dữ liệu cần gửi tới các node trong mạng Bước 2: Một nút sau khi nhận được gói tin ADV thì sẽ biết được thông tin về gói tin của mình cần hay là không Nếu nó đang cần gói tin đó thì nó sẽ phát đi bản tin là REQ để thông báo rằng đó là dữ liệu mà nút đang cần

Trang 31

Bước 3: Gói tin DATA sẽ được nút A gửi tới nút B, nút đang cần dữ liệu đó Trong trường hợp có nhiều hơn một nút cần dữ liệu sau bản tin ADV, thì các nút tương ứng sẽ gửi bản tin REQ về cho nút có thông tin Khi nhận được yêu cầu đó thì nó sẽ gửi bản tin DATA theo dạng quảng bá tới các nút cần dữ liệu Hình 2.2 dưới đây minh họa đầy đủ quá trình thực hiện của thuật toán SPIN-EC

Hình 2.2 Các bước của thuật toán SPIN-EC [4][5]

Thuật toán SPIN-EC được thực hiện thông qua ba loại bản tin là bản tin thông báo (ADV), bản tin yêu cầu (REQ), bản tin dữ liệu (DATA) như được minh họa ở hình 2.1 Trước khi gửi một bản tin dữ liệu thì một nút sẽ thông báo ý định của nó thông qua việc gửi quảng bá một bản tin ADV (Bước 1) Bản tin ADV chứa một mô tả về bản tin DATA được gửi và bản tin ADV có kích thước nhỏ hơn so với bản tin DATA Sau đó, nếu một nút lân cận quan tâm đến bản tin ADV thì nó sẽ trả lời lại bằng một bản tin REQ (bước 2)

Trang 32

Cuối cùng, bản tin DATA sẽ được gửi tới nút yêu cầu nó (bước 3) Quá trình truyền bản tin dữ liệu trong mạng được thực hiện theo cơ chế này tại mỗi bước nhảy Chúng ta có thể thấy ở các bước 4, 5 và 6 của hình trên, nhiều nút

có thể gửi bản tin REQ tới cùng một nút và nút đó sẽ gửi lại bản tin DATA tới từng nút cho đến khi tất cả các nút gửi yêu cầu đều nhận được Quá trình truyền thông này chỉ được áp dụng khi mà năng lượng của nút ở trên ngưỡng cho phép Tức là trước khi thực hiện việc truyền thông, mức ngưỡng năng lượng sẽ được đặt trước Khi mức năng lượng của nút cao hơn thì nút đó sẽ tham gia quá trình truyền thông Ngược lại, nút đó sẽ không tham gia quá trình truyền thông

Nhận xét thuật toán SPIN-EC

Thuật toán SPIN-EC là thuật toán thuộc nhóm định tuyến trung tâm dữ liệu mà ở đó các nút cảm biến phát tín hiệu quảng bá các thông báo có dữ liệu

và chờ đợi phản hồi yêu cầu từ các nút gốc quan tâm đến dữ liệu đó Bởi vậy, thuật toán này ưu điểm hơn so với thuật toán Gossiping Điều này đã cho phép SPIN-EC tối ưu được năng lượng so với Gossiping tới 70% năng lượng

Tuy nhiên, SPIN-EC có độ trễ lớn vì quá trình chờ thông tin phản hồi

từ các nút có yêu cầu nhận dữ liệu Điều này dẫn đến độ trễ trong quá trình định tuyến của thuật toán

Ngoài ra, nếu nút trung gian không quan tâm đến dữ liệu sau bản tin ADV thì dữ liệu đó không thể truyền tới được nút đích

2.3 Thuật toán định tuyến LEACH [4][5]

LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy-Centralized) là thuật toán phân cấp theo cụm thích ứng năng lượng thấp, dựa trên thuật toán phân nhóm [1][5], trong đó, các nút có thể phân bố ngẫu nhiên, và tự hình thành cụm (sefl configuring cluster formation) Nút chủ cụm có chức năng

Trang 33

điều khiển các nút trong cụm gửi dữ liệu đến nó theo một chu kỳ nhất định Tại nút chủ, dữ liệu sẽ được thu thập và xử lý ở nhiều mức độ khác nhau, tùy thuộc vào từng ứng dụng, trước khi gửi tới trạm gốc Thuật toán LEACH có khả năng tự tổ chức thành cụm, thực hiện xử lý cục bộ, rồi truyền tới nút chủ (sink)

Do đó, nút chủ sẽ tốn nhiều năng lượng hơn so với nút thông thường Cho nên, thuật toán LEACH thực hiện ngẫu nhiên quay vòng vai trò nút chủ trong tất cả các nút mạng để tránh tiêu hao năng lượng trên một số nút cố định

Quá trình hoạt động của thuật toán LEACH như sau:

Thuật toán LEACH được chia thành các vòng, mỗi vòng được bắt đầu với pha thiết lập và pha ổn định [1] Để giảm lượng bản tin mào đầu trong mạng thì pha ổn định phải dài hơn so với pha thiết lập Hình 2.3 minh họa trạng thái các pha của thuật toán LEACH

Hình 2.3 Các bước của thuật toán LEACH [5]

 Pha thiết lập

Mỗi vòng hoạt động trong LEACH được bắt đầu bằng pha thiết lập, trong pha thiết lập, bước đầu tiên là lựa chọn nút chủ của từng cụm Đây là quá trình lựa chọn nút chủ Ban đầu nút cảm biến tự quyết định có hay không trở thành nút chủ trong vòng hoạt động đó hay không Việc đưa ra quyết định

Trang 34

này là căn cứ vào tỷ lệ phần trăm mong muốn trở thành nút chủ trong mạng (P) và số lần nút đó đã trở thành nút chủ tính cho đến thời điểm hiện tại Mỗi nút trong mạng lựa chọn một giá trị ngẫu nhiên (S) trong khoảng 0 và 1

Nếu giá trị này thấp hơn giá trị ngưỡng T(n), nút trở thành nút chủ của vòng hiện tại, ngược lại, nếu S lớn hơn P thì nút đó là nút thông thường Giá trị ngưỡng T(n) được xác định bởi công thức [4][5]:

Sử dụng ngưỡng này, mỗi nút sẽ trở thành nút chủ một lần duy nhất trong một chu kỳ 1/P vòng Cứ hết một chu kỳ 1/P vòng, tất cả nút thiết lập lại giá trị ngẫu nhiên S để bắt đầu một chu kỳ mới Sau một vòng, giá trị T(n) tăng lên một lượng bằng P và sau 1/P -1 vòng thì T(n)=1, vậy các nút chưa trở thành nút chủ trong 1/P vòng gần nhất chắc chắn sẽ phải đảm nhận vai trò nút chủ tại vòng này Như vậy, sau 1/P vòng, tất cả nút mạng đủ điều kiện để trở thành nút chủ duy nhất một lần

Tiếp theo là quá trình thực hiện việc thiết lập cụm Tức là, sau khi quyết định trở thành nút chủ cho vòng hiện tại, nút chủ phát quảng bá một bản tin Advertisement (ADV) cho nút lân cận Bản tin này là một bản tin nhỏ chứa ID của nút chủ và một tiêu đề để phân biệt bản tin này là một bản tin thông báo Nút không phải là nút chủ sẽ phải giữ bộ thu trong suốt thời gian diễn ra pha thiết lập để lắng nghe bản tin Advertisements của nút chủ Những nút không phải là nút chủ sẽ quyết định nó sẽ nằm trong cụm nào bằng việc

Trang 35

chọn xem nút chủ nào yêu cầu chi phí năng lượng giao tiếp thấp nhất dựa trên cường độ của tín hiệu nhận được từ bản tin quảng bá Giả sử các kênh truyền

là đối xứng, nút chủ có bản tin Advertisement được lắng nghe với cường độ tín hiệu lớn nhất chính là nút cần ít năng lượng nhất cho việc truyền thông

Hình 2.4: Lưu đồ thuật toán pha thiết lập của LEACH Sau khi quyết định là thành viên của cụm nào, nút sẽ thông báo cho nút chủ của cụm đó biết Mỗi nút sẽ phát bản tin “yêu cầu kết nối” (REQ) tới nút chủ Bản tin này cũng là một bản tin nhỏ, bao gồm ID của nút, ID nút chủ và một phần tiêu đề để phân biệt với bản tin khác Nút chủ hoạt động như một khối điều khiển trung tâm cục bộ để xử lý dữ liệu gửi từ các nút trong cụm mà nó làm nút

Trang 36

chủ Nút chủ thiết lập bản tin định thời TDMA và truyền tới các nút trong cụm

Cơ chế này sẽ đảm bảo không có xung đột xảy ra và cho phép nút không phải là nút chủ sẽ không phải hoạt động liên tục, mà chỉ hoạt động khi đến khe thời gian được phân bổ, còn lại, nút chuyển sang trạng thái nghỉ (Sleep State) Như vậy, sử dụng TDMA sẽ tiết kiệm được năng lượng cho nút cảm biến

Khi bản tin TDMA được truyền đến tất cả nút trong cụm, pha thiết lập

đã hoàn thành và bắt đầu cho pha ổn định

 Pha ổn định

Pha ổn định hay pha truyền dữ liệu được chia thành các khung Mỗi nút

sẽ chuyển sang trạng thái hoạt động để gửi dữ liệu của nó tới nút chủ một lần trên một khung trong khe thời gian mà nó được phân bổ Khe thời gian của nút là cố định trong một vòng, cứ đến khe thời gian đó thì nút tiến hành cảm biến và truyền dữ liệu tới nút chủ

Số khe thời gian trong một khung dữ liệu phụ thuộc vào số lượng nút trong cụm Tức là có bao nhiêu nút trong cụm (trừ nút chủ) thì sẽ có bấy nhiêu khe thời gian Trong thuật toán định tuyến LEACH, số cụm mong muốn trong một vòng (K) được xác định bằng P nhân với tổng số nút trong mạng, nhưng LEACH lại không có cơ chế đảm bảo rằng sẽ có chính xác K cụm được hình thành trong mỗi vòng Thêm vào đó, trong pha thiết lập, do không đưa tham số vị trí vào quá trình lựa chọn nút chủ, nên không đảm bảo

số lượng nút trong một cụm, do đó, số nút trong một cụm là khác nhau và dữ liệu mà mỗi nút gửi đến nút chủ phụ thuộc vào số nút trong cụm đó Hình 2.5 minh họa sơ đồ thuật toán pha ổn định trong LEACH

Để giảm sự tiêu thụ năng lượng, mỗi nút không phải là nút chủ sẽ điều khiển công suất phát dựa trên cường độ của bản tin quảng bá nhận được từ nút chủ Kênh phát sóng của nút sẽ ở trạng thái nghỉ cho đến khe thời gian của nó

Định dạng
Số trang	72
Dung lượng	2,28 MB