Nghiên cứu và đánh giá một số giao thức và kỹ thuật quản lý tiết kiệm năng

Tuy nhiên mạng cảm ứng đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức, một trong những thách thức lớn nhất đó là nguồn năng lượng bị giới hạn, khả năng xử lý thấp, giá thành thấp, giải thông

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- KHƯƠNG VĂN THẮNG

NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ GIAO THỨC VÀ KỸ THUẬT QUẢN LÝ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG

MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Kỹ thuật truyền thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS Trần Quang Vinh

Hà Nội – Năm 2015

I

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là nghiên cứu của chính bản thân Các nghiên cứu trong luận văn này dựa trên những tổng hợp lý thuyết và hiểu biết thực tế của mình, không sao chép từ bất kỳ một luận văn nào khác Mọi thông tin trích dẫn đều được tuân theo luật sở hữu trí tuệ, liệt kê rõ ràng các tài liệu tham khảo Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với những nội dung được viết trong luận văn này

Tác giả

KHƯƠNG VĂN THẮNG

II

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN I DANH SÁCH HÌNH VẼ IV DANH SÁCH BẢNG BIỂU V LỜI NÓI ĐẦU VI

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

1.1 Định nghĩa 1

1.2 Cấu trúc của WSN 1

1.3 Ứng dụng của WSN 4

1.4 Những thách thức của WSN 6

1.5 Sự khác nhau giữa WSN và mạng truyền thống 6

1.6 Hiệu quả năng lượng trong mạng WSN: 6

1.7 Các nguyên nhân gây nên lãng phí năng lượng 7

CHƯƠNG 2: QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 9

2.1.Các khía cạnh quản lý năng lượng cục bộ 10

2.1.1.Phân hệ xử lý 10

2.1.2.Phân hệ truyền thông 11

2.1.3 Tần số Bus và định thời RAM 12

2.1.4.Bộ nhớ động 12

2.1.5 Phân hệ quản lý năng lượng 12

2.2.Quản lý năng lượng động 13

2.2.1.Chế độ hoạt động linh động 14

2.2.2.Mở rộng quy mô quản lý năng lượng động 15

2.2.3.Chức năng lập lịch 16

2.3.Ý tưởng thiết kế 16

CHƯƠNG 3: TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG Ở LỚP MẠNG 19

3.1 Tiết kiệm năng lượng ở lớp mạng trong WSN 19

3.2 Giao thức ARPEES 21

3.2.1 Đặc điểm 21

3.1.2 Hai pha hoạt động 22

3.3 Giao thức EMRP 29

III

3.3.1 Pha thiết lập 29

3.3.2 Pha thành lập nhóm và chọn nhóm trưởng 31

3.3.3 Pha truyền tải dữ liệu 32

CHƯƠNG 4: TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG Ở LỚP MAC 36

4.1.Tổng quan chung về tiết kiệm năng lượng của các giao thức lớp MAC 36

4.2 Giao thức XT - MAC 36

4.2.1.Giao thức MAC cho hệ thống định vị WSN 36

4.2.2.Mô tả giao thức XT-MAC 37

4.2.3 Hoạt động của hệ thống định vị XT-MAC 39

4.3 Giao thức B - MAC 41

4.4 Giao thức MAC theo chuẩn ZigBee/IEEE802.15.4 47

4.4.1 Tầng vật lý ZigBee/IEEE 802.15.4 48

4.4.2.Tầng điều khiển dữ liệu ZigBee/IEEE 802.15.4 MAC 49

CHƯƠNG 5 - MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ GIAO THỨC TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG WSN BẰNG PHẦN MỀM OMNET++ 58

5.1 Giới thiệu chung về OMNET++ 58

5.1.1 Các thành phần chính của OMNET++ 58

5.1.2 Mô hình trong OMNET++ 59

5.2 Xây dựng mô hình mô phỏng WSN bằng Omnet++ 60

5.3 Mô phỏng và đánh giá hiệu quả năng lượng của các giao thức trong WSN 62

5.3.1 Đánh giá hiệu quả năng lượng của 2 giao thức định tuyến ARPEES và EMRP 63

5.3.2 Đánh giá hiệu quả năng lượng của giao thức XT–MAC, B–MAC và IEEE 802.15.4 65

CHƯƠNG 6 – KẾT LUẬN 68

THUẬT NGỮ TỪ VIẾT TẮT 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

PHỤ LỤC 72

IV

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Phân bố node cảm biến trong trường cảm biến 1

Hình 1.2: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến 3

Hình 3.1: Lưu đồ của trạng thái thứ nhất 24

Hình 3.2: thành cụm dựa trên sự kiện và thuật toán lựa chọn cụm trưởng 25

Hình 3.3: Lưu đồ của giao thức ARPEES trong pha thứ hai 28

Hình 3.4: Mô tả 1 ví dụ về hàm lựa chọn nút chuyển tiếp 29

Hình 3.5: Mô hình mạng EMRP với liên kết dạng lưới sau pha thiết lập 31

Hình 3.6: Mô hình mạng hai mức liên kết trong EMRP 33

Hình 3.7: Lưu đồ hoạt động pha truyền tải dữ liệu của EMRP 35

Hình 4.1: Lưu đồ hoạt động của XT-MAC 38

Hình 4.2: Lưu đồ hoạt động của XT-MAC kết hợp với EMRP 41

Hình 4.3: Clear Channel Assessment (CCA) hiệu quả cho một kênh không dây điển hình 43

Hình 4.4: Mô hình giao thức của ZigBee 48

Hình 4.5: Sơ đồ điều chế 49

Hình 4.6: Cấu trúc siêu khung 50

Hình 4.7: Lưu đồ thuật toán 53

Hình 5.1: Đồ thị so sánh năng lượng còn lại của 2 giao thức ARPEES và EMRP 64

Hình 5.2: Đồ thị so sánh năng lượng còn lại của 3 giao thức MAC 66

V

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 4.1: hoạt động cơ bản của một ứng dụng giám sát sử dụng một bộ thu phát CC1000 45 Bảng 4.2: Dải tần số theo chuẩn IEEE 802.15.4 49 Bảng 4.3: Định dạng khung MAC 57 Bảng 5.1: Năng lượng còn lại của mạng sau khi chạy mô phỏng sử dụng giao thức định tuyến ARPEES 63 Bảng 5.2: Năng lượng còn lại của mạng sau khi chạy mô phỏng sử dụng giao thức định tuyến EMRP 63 Bảng 5.3: Năng lượng còn lại của mạng khi sử dụng giao thức XT-MAC 65 Bảng 5.4: Năng lượng còn lại của mạng khi sử dụng giao thức B-MAC 65 Bảng 5.5: Năng lượng còn lại của mạng khi sử dụng giao thức MAC chuẩn 802.15.4 66

VI

LỜI NÓI ĐẦU

Mạng không dây đang là xu thế phát triển hiện nay và hứa hẹn thay thế nhiều ứng dụng đang sử dụng mạng có dây hiện nay Mạng cảm nhận không dây

(Wireless Sensor Networks – WSN) ra đời dựa trên cơ sở ứng dụng những thành tựu

cao của công nghệ chế tạo linh kiện vi điện tử và công nghệ thông tin WSN được

sử dụng với nhiều mục đích khác nhau, cả quân sự, dân sự và công nghiệp, với đặc điểm chung nổi bật là không cần thao tác của con người Tuy nhiên mạng cảm ứng đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức, một trong những thách thức lớn nhất đó

là nguồn năng lượng bị giới hạn, khả năng xử lý thấp, giá thành thấp, giải thông bé, tín hiệu yếu và hoạt động dưới tần số chia sẻ Hiện nay rất nhiều nhà nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng của mạng cảm biến trong từng lĩnh vực khác nhau Vì vậy, trong quá trình tìm hiểu và nghiên

cứu về mạng cảm biến không dây, em đã lựa chọn đề tài “ Nghiên cứu và đánh giá một số giao thức và kỹ thuật quản lý tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến không dây”

Luận văn này gồm những nội dung chính sau đây:

Chương 1: “Tổng quan về mạng cảm biến không dây” sẽ đưa ra những định nghĩa cơ bản, cấu trúc, ứng dụng và những đặc điểm của WSN Chương này còn trình bày các vấn đề về năng lượng trong WSN từ đó rút ra lý do lựa chọn đề tài này

Chương 2: “Quản lý năng lượng trọng mạng cảm biến không dây” sẽ trình bày những lý thuyết chính về quản lý năng lượng trong mạng cảm biến không dây

Chương 3: “Tiết kiệm năng lượng ở lớp mạng” sẽ trình bày nguyên tắc chung về tiết kiệm năng lương của các giao thức định tuyến Sau đấy đi sâu vào tìm hiểu kỹ thuật tiết kiệm năng lượng ở một số giao thức định tuyến như ARPEES và EMRP

Chương 4: “Tiết kiệm năng lượng ở lớp MAC” sẽ trình bày nguyên tắc chung về tiết kiệm năng lượng của các giao thức MAC Sau đấy đi sâu vào tìm hiểu

Chương 6: “Kết luận” sẽ đánh giá lại toàn bộ luận văn, khái quát những nội dung chính, những ưu điểm và hạn chế của luận văn đồng thời đưa ra các hướng nghiên cứu

SVTH: Khương Văn Thắng Trang 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Định nghĩa

Mạng cảm biến không dây (WSN) có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các node với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến, trong đó các node mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp… và có số lượng lớn, được phân bố một cách không có hệ thống trên một diện tích rộng, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế

và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ cao…)

 Mạng cảm nhận:

Hình 1.1: Phân bố node cảm biến trong trường cảm biến

SVTH: Khương Văn Thắng Trang 2

Hình 1.1 chúng ta thấy, mạng cảm nhận bao gồm rất nhiều các node cảm biến được phân bố trong một trường cảm biến Các node này có khả năng thu thập

dữ liệu thực tế, sau đó chọn đường (theo phương pháp đa bước nhảy) để chuyển những dữ liệu này về node gốc Node gốc liên lạc với node quản lý nhiệm vụ thông qua Internet hoặc vệ tinh Việc thiết kế mạng cảm nhận như trong mô hình 1.1 phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:

Khả năng chịu lỗi: Một số các node cảm biến có khả năng không hoạt động nữa do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh hưởng của môi trường Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động bình thường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số node mạng không hoạt động

Khả năng mở rộng: Khi nghiên cứu một hiện tượng, số lượng các node cảm biến được triển khai có thể đến hàng trăm nghìn node, phụ thuộc vào từng ứng dụng

mà con số này có thể vượt quá hàng trăm nghìn node Do cấu trúc mạng có khả năng mở rộng để phù hợp với từng ứng dụng cụ thể

Giá thành sản xuất: Vì mạng cảm nhận bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến nên chi phí mỗi node là rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi phí mạng

Do vậy chi phí ở mỗi node cảm biến phải giữ ở mức thấp

Tích hợp phần cứng: Vì số lượng node cảm biến trong mạng là nhiều nên node cảm biến cần phải có các ràng buộc phần cứng sau:

Kích thước nhỏ, tiêu thụ năng lượng ít, chi phí sản xuất ít, thích hợp với môi trường, có khả năng tự cấu hình và hoạt động không cần giám sát

Môi trường hoạt động: Các node cảm biến thường khá dày đặc và phân bố trực tiếp trong môi trường (kể cả môi trường ô nhiễm, độc hại hay dưới nuớc…) Node cảm biến phải thích ứng với nhiều loại môi trường và sự thay đổi của môi trường

Các phương tiện truyền dẫn: Ở mạng cảm nhận, các node được kết nối với nhau trong môi trường không dây, môi trường truyền dẫn có thể là sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc những phương tiện quang học

Cấu hình mạng cảm nhận: Mạng cảm nhận bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến, do đó phải thiết lập một cấu hình ổn định

SVTH: Khương Văn Thắng Trang 3

Sự tiêu thụ năng lượng: Mỗi node cảm biến được trang bị nguồn năng lượng giới hạn Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng là không thể thực hiện được Vì vậy thời gian sống của mạng phụ thuộc vào thời gian sống của node cảm biến, thời gian sống của node cảm biến lại phụ thuộc vào thời gian sống của pin Do vậy, hiện nay các nhà khoa học đang nỗ lực tìm ra các giải thuật và giao thức thiết kế cho các node mạng nhằm tiết kiệm nguồn năng lượng hạn chế này

Kiến trúc giao thức mạng cảm nhận:

Hình 1.2: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến Kiến trúc giao thức áp dụng cho mạng cảm nhận được trình bày trong hình1.2 Kiến trúc này bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý Các mặt phẳng quản lý này làm cho các node có thể làm việc cùng nhau theo cách có hiệu quả nhất, định tuyến dữ liệu trong mạng cảm nhận di động và chia sẻ tài nguyên giữa các node cảm biến

+ Lớp vật lý: có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang, phát hiện tín hiệu, điếu chế và mã hoá tín hiệu

+ Lớp liên kết số liệu: Có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu, phát hiện các khung dữ liệu, cách truy cập đường truyền và điều khiển lỗi Vì môi trường có tạp

âm và các node cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển truy nhập môi trường

SVTH: Khương Văn Thắng Trang 4

(MAC) phải xết đến vấn đề công suất và phải có khả năng tối ưu hoá việc va cham với thông tin quảng bá của các node lân cận

+ Lớp mạng: Quan tâm đến việc chọn đường số liệu được cung cấp bởi lớp truyền tải

+ Lớp truyền tải: giúp duy trì luồng số liệu nếu ứng dụng mạng cảm nhận yêu cầu Lớp truyền tải chỉ cần thiết khi hệ thống có kế hoạch được truy cập thông qua mạng Internet và các mạng bên ngoài khác

+ 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

+ Mặt phẳng quản lý công suất: Điều khiển việc sử dụng công suất của node cảm biến Ví dụ:

Node cảm biến có thể tắt bộ thu sau khi nó nhận một bản tin để tránh tạo ra các bản tin giống nhau Khi mức công suất của node cảm biến thấp, nó sẽ phát quảng bá sang các node cảm biến bên cạnh thông báo rằng mức năng lượng của nó thấp và nó không thể tham gia vào quá trình định tuyến Công suất còn lại được giành cho nhiệm vụ cảm biến

+ Mặt phẳng quản lý di chuyển: Có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự chuyển động của các node Từ đó có thể xác định xem ai là hàng xóm của mình

+ Mặt phẳng quản lý nhiệm vụ: Có nhiệm vụ cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các node trong vùng đó đều thực hiện nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời điểm

1.3 Ứng dụng của WSN

WSN bao gồm các node cảm biến nhỏ, thích ứng được môi trường khắc nghiệt Những node cảm biến này, cảm nhận được môi trường xung quanh, sau đó gửi những thông tin thu được đến trung tâm để xử lý theo ứng dụng Các node không những có thể liên lạc với các node xung quanh nó, mà còn có thể xử lý dữ liệu thu được trước khi gửi đến các node khác WSN cung cấp rất nhiều các ứng dụng hữu ích ở nhiều lĩnh vực trong cuộc sống

Các ứng dụng trong bảo vệ môi trường

+ Phát hiện mìn, chất độc trong môi trường

SVTH: Khương Văn Thắng Trang 5

+ Giám sát lũ lụt, bão, gió, mưa…

+ Phát hiện ô nhiễm, chất thải

+ Phát hiện hoạt động núi lửa

Hệ thống giao thông thông minh

+ Giao tiếp giữa biển báo và phương tiện giao thông

+ Hệ thống điều tiết lưu lượng công cộng

+ Hệ thống báo hiệu tai nạn, kẹt xe…

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

Ứng dụng trong quân sự, an ninh

+ Định vị, theo dõi di chuyển của các thiết bị quân sự

+ Điều khiển tự động các thiết bị quân sự, robot

+ Kích hoạt thiết bị, vũ khí quân sự

+ Theo dõi biên giới kết hợp với vệ tinh

Ứng dụng trong thương mại

+ Quản lý kiến trúc và xây dựng

+ Quản lý sản xuất

+ Hệ thống xử lý vật liệu

SVTH: Khương Văn Thắng Trang 6

+ Quản lý tải trong tiêu thụ điện năng

+ Điều khiển nhiệt độ

+ Hệ thống tự động

+ Thu thập dữ liệu thơi gian thực

1.4 Những thách thức của WSN

Để WSN thực sự trở lên rộng khắp trong các ứng dụng, một số thách thức và trở ngại cần vượt qua:

Vấn đề về năng lượng

Năng lực xử lý, tính toán

Bộ nhớ lưu trữ

Thích ứng tốt với môi trường

Ngoài ra còn có một số thách thức trở ngại khác như: Vấn đề mở rộng mạng, giá thành các node, quyền sở hữu…

1.5 Sự khác nhau giữa WSN và mạng truyền thống

Dựa vào trình bày ở trên, ta dễ dàng nhận thấy sự khác nhau giữa WSN và các mạng truyền thống:

Số lượng node cảm biến trong một mạng cảm nhận lớn hơn nhiều lần so với node khác trong các mạng truyền thống Các node cảm biến thường được triển khai với mật độ dày hơn Những node cảm biến dễ hỏng, ngừng hoạt động hơn

Cấu trúc mạng cảm nhận thay đổi khá thường xuyên Mạng cảm nhận chủ yếu sử dụng truyền thông quảng bá, trong khi đó đa số các mạng truyền thống là điểm – điểm

Những node cảm biến có giới hạn về năng lượng, khả năng tính toán, bộ nhớ Những node cảm biến có thể không có số định dạng toàn cầu (global identification) (ID)

Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây

Chia sẻ nhiệm vụ giữa các node láng giềng

1.6 Hiệu quả năng lượng trong mạng WSN:

Tính hiệu năng (Energy Efficiency) là một trong những thuộc tính quan trọng nhất trong mạng cảm biến Như đã đề cập ở trên, đa số các nút cảm biến hoạt

SVTH: Khương Văn Thắng Trang 7

động bằng pin, rất khó để thay đổi hoặc nạp điện lại cho pin của những nút này Thực tế, nhiều mục đích thiết kế của những mạng cảm biến được xây dựng bằng những nút đủ rẻ để vứt bỏ hơn là nạp lại Trong tất cả các trường hợp, việc kéo dài

cả cuộc đời của mỗi nút là một vấn đề then chốt Dù với nền tảng phần cứng nào, năng lượng cho thu phát sóng vô tuyến là nguồn tiêu thụ năng lượng chính

1.7 Các nguyên nhân gây nên lãng phí năng lượng

1.Xung đột

Sự xung đột (Collision) là nguyên nhân đầu tiên gây tiêu phí năng lượng Khi hai gói được truyền cùng thời điểm sẽ xảy ra xung đột, chúng bị hỏng và phải được loại bỏ Yêu cầu truyền lại gói tin sau đó sẽ làm phát sinh sự tiêu hao năng lượng

Do đó tất cả các giao thức cố gắng tránh xung đột bằng mọi cách

2.Nghe khi rỗi

Nguyên nhân thứ hai gây tiêu hao năng lượng là vấn đề nghe khi rỗi (Idle Listening) Nó xảy ra khi thành phần sóng vô tuyến thực hiện “nghe” kênh xem có

dữ liệu không để nhận Sự tiêu hao này đặc biệt cao trong những ứng dụng mạng cảm biến, nơi không có dữ liệu trao đổi trong thời gian không có sự kiện được cảm biến

Nhiều giao thức luôn luôn nghe kênh khi hoạt động dù không có dữ liệu để gửi Chi phí chính xác của vấn đề nghe khi rỗi phụ thuộc vào phần cứng và chế độ hoạt động thành phần sóng vô tuyến Đa số các mạng cảm biến được thiết kế để hoạt động trong thời gian dài và các nút cảm biến cũng sẽ trong ở trạng thái nghe khi rỗi một thời gian dài Trong những trường hợp như vậy, nghe khi rỗi là một yếu

tố chính trong vấn đề tiêu thụ năng lượng của thành phần sóng vô tuyến

3.Nghe thừa

Nguyên nhân thứ ba là vấn đề nghe thừa (overhearing) xuất hiện khi một nút nhận được những gói tin mà được dành cho những nút khác Phải nghe thừa những lưu thông không cần thiết, không giành cho mình có thể là một nhân tố chính gây tiêu hao năng lượng khi lưu lượng, tải truyền tăng và mật độ phân bố nút cao

4.Xử lý gói tin điều khiển

SVTH: Khương Văn Thắng Trang 8

Nguyên nhân cuối cùng mà chúng ta xem xét là sự xử lý gói tin điều khiển

Sự gửi, nhận, và nghe những gói tin điều khiển cũng tiêu thụ năng lượng Khi những gói điều khiển không trực tiếp chuyên chở dữ liệu, chúng cũng làm giảm lưu lượng có ích Mạng cảm biến không dây là loại mạng đặc biệt với số lượng lớn nút cảm biến được trang bị bộ vi xử lý, thành phần cảm biến và thành phần quản lý sóng vô tuyến Các nút cảm biến cộng tác với nhau để hoàn thành một nhiệm vụ chung Trong nhiều ứng dụng, các nút cảm biến sẽ được triển khai phi cấu trúc như mạng adhoc Chúng phải tự tổ chức để hình thành một mạng không dây đa bước nhảy Thách thức chung trong mạng không dây là vấn đề xung đột do hai nút gửi dữ liệu cùng lúc trên cùng kênh truyền Việc tắt thành phần sóng vô tuyến khi nó chưa được cần đến là một chiến lược quan trọng cho việc tiết kiệm năng lượng Một lược

đồ quản lý năng lượng đầy đủ phải xem xét tất cả các nguồn làm tiêu phí năng lượng, không phải là chỉ là thành phần sóng vô tuyến

Vì vậy một giao thức thiết kế cho mạng cảm biến phải đạt được yêu cầu tiết kiệm năng lượng bởi việc điều khiển thành phần sóng vô tuyến để tránh hoặc giảm bớt tiêu phí năng lượng do những nguyên nhân trên

SVTH: Khương Văn Thắng Trang 9

CHƯƠNG 2: QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN

KHÔNG DÂY

Tiêu thụ điện năng của mạng cảm biến không dây (WSN) là mối quan tâm quan trọng vì sự khan hiếm năng lượng Năng lượng là một nguồn tài nguyên khan hiếm trong mọi thiết bị không dây, vấn đề này trong WSN càng được đề cao như trong [5], bởi các lý do sau đây:

1 Đánh giá trên sự phức tạp của chức năng mà WSN phải đảm nhiệm như: phát hiện, đánh giá, cảm biến, truyền thông - các nút phải có kích thước nhỏ để hạn chế năng lượng tiêu thụ

2 Trên lý thuyết, hệ thống mạng WSN bao gồm số lượng lớn các nút mạng dẫn đến việc bổ sung năng lượng thông qua các hình thức sạc, nạp hay thay thế nguồn cấp của WSN trở nên bất khả thi

3 Các công nghệ mới về năng lượng tự tái tạo tuy có những bước đột phá nhưng vẫn bị ràng buộc bởi điều kiện kích thước nút

4 Nếu một vài nút ngừng hoạt động có thể dẫn đến sự sụp đổ của toàn mạng Vấn đề năng lượng tiêu thụ có thể được tiếp cận theo hai hướng: Thứ nhất là cải tiến các giao thức truyền thông tiết kiệm năng lượng Thứ hai là phát hiện những hoạt động dư thừa và không cần thiết trong mạng và loại bỏ chúng Các hoạt động

dư thừa và không cần thiết có thể là các hoạt động của từng nút mạng hoặc của cả toàn mạng có thể kể đến như các hiệu ứng phụ trong quá trình hoạt động hay việc cấu hình không tối ưu Ví dụ trong quá trình theo dõi có thể xảy ra hiện tượng over- hearing làm tốn thêm năng lượng dù nó không cần thiết hay việc một nút tiêu tốn quá nhiều năng lượng cho việc lập liên kết với một nút khác không còn liên quan đến nó

Phần lớn các hoạt động dư thưa dẫn đến việc không tối ưu của các thành phần phần cứng hay phần mềm Ví dụ như một lượng năng lượng bị tiêu thụ trong quá trình nhàn rỗi hay truyền thông trong các phân hệ con hay việc trạm vô tuyến bị ảnh hưởng bởi các cảm biến đa phương tiện khác Một phương pháp quản lý năng lượng động (DPM) sẽ đảm bảo năng lượng tiêu thụ một cách kinh tế Phương pháp

SVTH: Khương Văn Thắng Trang 10

này tiếp cận các hoạt động của từng nút mạng cho đến toàn mạng DPM tại các nút hướng đến tối thiểu năng lượng tiêu thụ tại mỗi nút bằng cách cung cấp vừa đủ cho nút năng lượng để thực hiện các công việc cần thiết Khi nút không cần thiết hoạt động, DPM sẽ buộc nút phải chuyển về trạng thái “ngủ” DPM toàn mạng sẽ tối thiểu công suất toàn mạng thông qua việc xác lập trạng thái hoạt động hay nhàn rỗi của toàn mạng

Có nhiều phương pháp để đạt được DPM Một cách có thể kể đến đó là DPM

để cho mỗi nút tự xác định lịch ngủ của nó và chia sẻ cho các nút lân cận để thiết lập khả năng cảm biến hợp tác giữa các nút cũng như hiệu quả hóa hoạt động của mỗi nút Cách này được gọi là đồng bộ thời gian ngủ Một cách khác là DPM cho phép mỗi nút tự có lịch ngủ riêng biệt của nó; và các nút khi có nhu cầu truyền thông cần phải gửi bản tin preamble cho đến khi nhận được ACK trả lại từ nút đích Điểm chung của cả hai phương pháp này đó là các nút chỉ ở trạng thái “thức” định

kỳ nhằm truyền tin hay thực hiện các nhiệm vụ chờ đợi được đặt trong hàng đợi

2.1.Các khía cạnh quản lý năng lượng cục bộ

Bước đầu tiên để phát triển các phương pháp quản lý năng lượng tại mỗi nút

đó là phải nắm được mức độ tiêu thụ năng lượng tại các nút đó Với những kiến thức trên sẽ giúp ta tránh được các hoạt động dư thừa và tối ưu quỹ năng lượng Thêm vào đó, nó cho phép chúng ta xác định chính xác năng lượng tiêu thụ tổng quát ở một nút và sự ảnh hưởng của nó đến hoạt động của toàn mạng

2.1.1.Phân hệ xử lý

Hầu hết các phân hệ xử lý hiện nay đều sử dụng vi điều khiển, đặc biệt là Intel’s StrongARM và Atmel’s AVR Các vi điều khiển này được lập trình để thực hiện các công việc với nhiều mức tiêu thụ năng lượng khác nhau Ví dụ, các vi điều khiển ATmega128L có sáu chế độ năng lượng khác nhau: nhàn rỗi, giảm tiếng ồn ADC, tiết kiệm điện, tắt điện, chế độ chờ, và chờ mở rộng Nhàn rỗi là chế độ dừng CPU trong khi cho phép các SRAM, Timer/Counters, cổng SPI hoạt động để hệ thống để tiếp tục hoạt động Các chế độ tiết kiệm có khả năng tiết kiếm năng lượng tiêu thụ của các thanh ghi hay vô hiệu hóa tất cả các chức năng chip khác cho đến

SVTH: Khương Văn Thắng Trang 11

khi reset phần cứng Trong các chế độ tiết kiệm điện năng, bộ đếm thời gian không đồng bộ vẫn tiếp tục chạy, cho phép người sử dụng để duy trì timer trong khi các thành phần còn lại của thiết bị được đưa vào chế độ ngủ Các chế độ giảm nhiễu ADC dừng CPU và tất cả các module I/O, trừ bộ đếm thời gian không đồng bộ và ADC Mục đích là để giảm thiểu nhiễu trong quá trình chuyển đổi ADC Trong chế

độ chờ, một bộ dao động tinh thể/cộng hưởng chạy trong khi các thành phần phần cứng còn lại ở chế độ ngủ Điều này cho phép rất nhanh chóng khởi động kết hợp với mức tiêu thụ điện năng thấp Trong chế độ chờ mở rộng, cả dao động chính và các bộ đếm thời gian không đồng bộ tiếp tục hoạt động, hỗ trợ cho các chip hoạt động kể trên trên giúp các hệ thống phụ có thể hoạt động với điện áp cung cấp và tần số đồng hồ khác nhau

2.1.2.Phân hệ truyền thông

Tiêu thụ điện năng của phân hệ truyền thông có thể chịu ảnh hưởng bởi một

số khía cạnh, bao gồm cả các loại điều chế và công suât của bộ truyền, bộ khuyếch đại hay hiệu suất anten, phạm vi truyền tải và tốc độ, và độ nhạy máy thu Một số trong những khía cạnh kể trên có thể được tự động cấu hình Thêm vào đó, phân hệ truyền thông có thể kiểm soát trạng thái bật/tắt của máy phát/ thu hoặc cả hai

Xác định được chế độ hoạt động tối ưu nhất không phải là một việc đơn giản

Ví dụ, tiêu thụ điện năng của một máy phát có thể không nhất thiết phải được giảm bằng cách giảm tốc độ truyền hay công suất truyền Lý do là có một sự cân bằng nhất định giữa công suất hữu ích cần thiết cho việc truyền dữ liệu và điện năng tiêu thụ tại các bộ khuếch đại Thông thường, công suất tiêu thụ tăng tỉ lệ nghịch với năng lượng tiêu thụ Trên thực tế, phần lớn các thiết bị phát hiện này chỉ hoạt động

ở một hay hai mức tối ưu Ở ngoài các mức này, giá trị tối ưu bị suy giảm nghiêm trọng Ở các thiết bị thu phát rẻ tiền, lượng điện DC bị chuyển hóa thành nhiệt lên tới 60% kể cả khi hoạt động ở mức tối ưu

SVTH: Khương Văn Thắng Trang 12

2.1.3 Tần số Bus và định thời RAM

Phân hệ xử lý tiêu tốn năng lượng khi nó giao tiếp với các phân hệ khác trong cùng một hệ thống qua các đường bus tốc độ cao Mức độ năng lượng phụ thuộc vào tần số và băng thông của các bus Có hai tham số có thể tối ưu tùy theo phương thức tương tác đó là tấn số và định thời Các thành phần điều khiển bus cần phải được cảnh báo khi tần số bus thay đổi để đảm bảo sự tối ưu

2.1.4.Bộ nhớ động

Bộ nhớ động là một cell điện được tổ chức ma trận với các hàng và cột, tạo thành các ô nhớ Các ô nhớ này được nạp theo chu kỳ với mục đích lưu trữ dữ liệu Tốc độ làm mới hoặc khoảng thời gian làm mới là một biện pháp để đánh giá số ô được làm mới Một khoảng thời gian làm mới thấp tương ứng với một tần số đồng

hồ thấp trước khi một hoạt động làm mới diễn ra Ngược lại, một khoảng thời gian làm mới cao hơn tương ứng với một tần số đồng hồ cao trước khi diễn ra một hoạt động làm mới mất Xem xét hai giá trị bộ nhớ kinh điển là : 2K và 4K Khoảng thời gian làm mới của 2K làm mới số lượng các ô nhớ nhiều hơn và hoàn tất quá trình này nhanh hơn, do đó nó tiêu thụ nhiều điện năng hơn 4K Với 4K làm mới số lượng các ô nhớ ít hơn ở một tốc độ chậm hơn, nhưng nó ngốn ít điện năng hơn

2.1.5 Phân hệ quản lý năng lượng

Phân hệ quản lý năng lượng quản lý năng lượng cho tất cả các phân hệ khác của hệ thống Nó bao gồm pin và bộ DC-DC Trong vài trường hợp, nó còn có cả các thành phần như bộ điều chỉnh điện áp Bộ DC-DC có nhiệm vụ cung cấp một cách chính xác lượng điện cần cho phần cứng của mỗi phân hệ bằng cách chuyển đổi nguồn DC ban đầu thành các mức công suất thích hợp Việc chuyển đổi có thể

là tăng, giảm hay nghịch đảo tùy theo yêu cầu của các phân hệ Tuy nhiên, mỗi một quá trình chuyển đổi có điện năng tiêu thụ riêng dẫn đến không tiết kiệm

Dưới đây là một nguyên nhân gây tiêu hao điện năng không hiệu quả đó là Pin

SVTH: Khương Văn Thắng Trang 13

Pin là thành phần cung cấp năng lượng chính cho các nút mạng WSN Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của pin, nhưng vấn đề chính là dung lượng Trong triển khai quy mô lớn, ta cần xem xét cụ thể đến dung lượng của hàng trăm

có thể là hàng nghìn pin

Pin được đặc trưng bởi dung lượng, C, đơn vị là ampe - giờ Giá trị này mô

tả tốc độ mà một thiết bị pin có thể hoạt động mà không chịu ảnh hưởng đáng kể nào từ môi trường bên ngoài Trên thực tế, tốc độ phóng điện tỉ lệ nghịch với dung lượng

Hầu hết pin di động có dung lượng 1C, có nghĩa là một pin 1000mAh cung cấp 1000mA trong 1 giờ, nếu nó phóng điện ở mức 1C Lý tưởng nhất, cùng một bộ pin có thể phóng với tốc độ của 0.5C, cung cấp 500mA cho 2 giờ; và tại 2C, 2000mA cho 30 phút và như vậy Giá trị 1C thường được gọi là phóng 1 giờ Tương

tự như vậy, một 0.5C sẽ là 2 giờ và một 0.1C sẽ là 10 giờ Trong thực tế, pin hiện tại ít hơn so với mức quy định Thông thường, phương trình Peukert được áp dụng trong việc xác định một pin hoạt động được bao lâu trong thực tế:

n

C t I

 (2.1) Trong đó, C là dung lượng hiện tại pin tính bằng ampe-giờ, I là cường độ dòng điện đơn vị ampe, T là thời gian phóng điện đơn vi giây và n là hệ số Peukert

Hệ số Peukert thể hiện hoạt động của 1 pin dưới cường độ dòng diện cao Pin hoạt động càng tốt, hệ số Peukert này càng cao Hệ số Peukert của pin được xác định theo thực nghiệm Ví dụ, đối với pin axít chì, hệ số này thường dao động giữa 1.3

và 1.4

2.2.Quản lý năng lượng động

Các nút WSN có thể được cải tiến bằng cách tính toán các vấn đề được thảo luận trên Một khi các thông số thời gian thiết kế được giữ cố định, DPM hướng tới việc cố gắng để giảm thiểu điện năng tiêu thụ của hệ thống bằng cách xác định các điều kiện hoạt động tối ưu nhất Các điều kiện này yêu cầu tính toán đến các các

SVTH: Khương Văn Thắng Trang 14

ứng dụng, cấu trúc liên kết của mạng, và ảnh hưởng lẫn nhau của các thành phần hệ thống Có 3 phương pháp tiếp cận xây dựng DPM, đó là:

1 Chế đô hoạt động linh động

Tuy nhiên, hai thách thức liên quan trong việc lựa chọn một cấu hình năng lượng cụ thể:

1 Chuyển đổi giữa các cấu hình năng lượng khác nhau tốn thêm năng lượng

2 Việc chuyển đổi có liên quan đến trễ cũng như một vài hiện tượng không

dự đoán trước

Chi phí chuyển đổi:

Giả sử mỗi phân hệ của một nút cảm biến không dây hoạt động chỉ trong hai chế độ năng lượng duy nhất là bật hoặc tắt Giả định rằng sự chuyển đổi từ bật sang tắt không có tổn hao năng lượng nhưng việc chuyển ngược lại (từ tắt sang bật) có tổn hao năng lượng và gây ra trễ Những chi phí này được coi là hợp lý nếu nó nhỏ hơn hay bằng giá trị năng lượng tiết kiệm được trong quá trình tắt Giá trị này được dùng để xác định chi phí chuyển đổi và để thiết lập một ngưỡng quá trình chuyển đổi

Giả sử thời gian tối thiểu mà phân hệ ở trạng thái tắt là Toff ; năng lượng tiêu thụ trong thời gian này là Poff; thời gian chuyển đổi là Toff/on ; năng lượng tiêu thụ trong quá trình chuyển đổi là Poff/on; và năng lượng tiêu thụ trong một trạng thái bật

là Pon Do đó:

SVTH: Khương Văn Thắng Trang 15

thái i đến j, E saved,j ) được tính bằng:

1 Tạo ra chênh lệch lớn giữa Pi và Pj;

2 Tăng thời gian trạng thái j, (t j);

3 Giảm thời gian chuyển tiếp t j,i

2.2.2.Mở rộng quy mô quản lý năng lượng động

Mở rộng điện áp động (DVS) và mở rộng tần số động (DFS) là hai phương pháp tiếp cận nhằm thích ứng với hoạt động của lõi vi xử lý (cũng như các đơn vị

SVTH: Khương Văn Thắng Trang 16

bộ nhớ và bus truyền thông) khi nó đang ở trong trạng thái hoạt động Trong hầu hết các trường hợp, các nhiệm vụ dự kiến sẽ được thực hiện bởi các lõi vi xử lý không đòi hỏi hiệu năng cao nhất của mình Thay vào đó, một số tiến trình được hoàn thành trước thời gian và vi xử lí đưa vào trạng thái nhàn rỗi trong thời gian còn lại

2 DPM nên là hệ thống tập trung hay phân tán

3 Nếu là hệ thống tập trung, thành phần nào chịu trách nhiệm cho các tác vụ nào

Một kiến trúc DPM điển hình giám sát các hoạt động của mỗi phân hệ và đưa ra quyết định liên quan đến việc sử dụng chế độ năng lượng thích hợp nhất nhằm tối ưu hóa tiêu thụ điện năng tổng thể Quyết định này cần phản ánh đầy đủ các yêu cầu hệ thống Tuy nhiên, bản thân quá trình giám sát và đưa ra quyết định này cũng tiêu thụ một năng lượng nhất định, nên DPM cần xác định chính xác các tác vụ yêu cầu cũng như tốc độ xử lý để tránh lãng phí

Các yếu tố quyết định liệu một kiến trúc DPM nên là tập trung hay phân tán phụ thuộc vào nhiều yếu tố Một ưu điểm của một kiến trúc tập trung là nó dễ dàng

SVTH: Khương Văn Thắng Trang 17

hơn để đạt được một cái nhìn tổng quan về tiêu thụ năng lượng của hệ thống và đưa

ra các quyết định thích ứng với điều kiện toàn mạng Kiến trúc phân tán có ưu điểm

là quản lý trực tiếp công suất của từng phân hệ Vấn đề ở đây đó là các quyết định của kiến trúc phân tán và tập trung có thể không đồng nhất Hiện nay, do cấu trúc đơn giản của bản thân các nút cảm biến cũng như các tác vụ có thể định lượng chính xác, các kiến trúc thường được xây dựng theo hướng tập trung

Trong trường hợp của một phương pháp tập trung, câu hỏi đặt ra là trong đó các phân hệ nào sẽ chịu trách nhiệm xử lý các tác vụ - phân hệ vi xử lý hay phân hệ quản lý năng lượng Bằng trực giác, ta thấy các phân hệ quản lý năng lượng cần phải thực hiện nhiệm vụ quản lý, vì nó có đầy đủ thông tin về dự trữ năng lượng của các nút và quỹ năng lượng của mỗi hệ thống Tuy nhiên, nó đòi hỏi khả năng thu nhận và phân tích các thông tin quan trọng, chẳng hạn như tốc độ các tác vụ hay các tác vụ ưu tiên từ các phân hệ vi xử lý Hơn nữa, nó cần phải có một số khả năng tính toán nhất định Tuy nhiên hiện nay, các phân hệ quản lý năng lượng chưa tích hợp các chức năng này

Hầu hết các kiến trúc hiện nay cho một nút cảm biến không dây bố trí các phân hệ vi xử lý tại trung tâm và tất cả các phân hệ khác thực hiện giao tiếp với nhau thông qua nó Hơn nữa, hệ điều hành (môi trường runtime) chạy trên phân hệ

vi xử lý thực hiện chức năng quản lý, sắp xếp trình tự ưu tiên, và lập kế hoạch công việc Các phân hệ vi xử lý do đó sẽ nắm nhiều thông tin toàn diện về hoạt động của tất cả các phân hệ khác Những đặc điểm đó giúp phân hệ vi xử lý trở thành thành phần quan trọng trong kiến trúc DPM

Các yếu tố quyết định liệu một kiến trúc DPM nên là tập trung hay phân tán phụ thuộc vào nhiều yếu tố Một ưu điểm của một kiến trúc tập trung là nó dễ dàng hơn để đạt được một cái nhìn tổng quan về tiêu thụ năng lượng của hệ thống và đưa

ra các quyết định thích ứng với điều kiện toàn mạng Kiến trúc phân tán có ưu điểm

là quản lý trực tiếp công suất của từng phân hệ Vấn đề ở đây đó là các quyết định của kiến trúc phân tán và tập trung có thể không đồng nhất Hiện nay, do cấu trúc

SVTH: Khương Văn Thắng Trang 18

đơn giản của bản thân các nút cảm biến cũng như các tác vụ có thể định lượng chính xác, các kiến trúc thường được xây dựng theo hướng tập trung

Trong trường hợp của một phương pháp tập trung, câu hỏi đặt ra là trong đó các phân hệ nào sẽ chịu trách nhiệm xử lý các tác vụ - phân hệ vi xử lý hay phân hệ quản lý năng lượng Bằng trực giác, ta thấy các phân hệ quản lý năng lượng cần phải thực hiện nhiệm vụ quản lý, vì nó có đầy đủ thông tin về dự trữ năng lượng của các nút và quỹ năng lượng của mỗi hệ thống Tuy nhiên, nó đòi hỏi khả năng thu nhận và phân tích các thông tin quan trọng, chẳng hạn như tốc độ các tác vụ hay các tác vụ ưu tiên từ các phân hệ vi xử lý Hơn nữa, nó cần phải có một số khả năng tính toán nhất định Tuy nhiên hiện nay, các phân hệ quản lý năng lượng chưa tích hợp các chứ năng này

Hầu hết các kiến trúc hiện nay cho một nút cảm biến không dây bố trí các phân hệ vi xử lý tại trung tâm và tất cả các phân hệ khác thực hiện giao tiếp với nhau thông qua nó Hơn nữa, hệ điều hành (môi trường runtime) chạy trên phân hệ

vi xử lý thực hiện chức năng quản lý, sắp xếp trình tự ưu tiên, và lập kế hoạch công việc Các phân hệ vi xử lý do đó sẽ nắm nhiều thông tin toàn diện về hoạt động của tất cả các phân hệ khác Những đặc điểm đó giúp phân hệ vi xử lý trở thành thành phần quan trọng trong kiến trúc DPM

SVTH: Khương Văn Thắng Trang 19

CHƯƠNG 3: TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG Ở LỚP MẠNG

3.1 Tiết kiệm năng lượng ở lớp mạng trong WSN

Trong WSN lớp mạng thực hiện việc định tuyến dữ liệu được cung cấp bởi lớp truyền tải Định tuyến trong mạng cảm biến không dây có một số khác biệt so với định tuyến trong mạng cố định Liên kết không dây là không tin cậy, nút cảm biến có thể bị lỗi, và giao thức định tuyến phải đối mặt với yêu cầu nghiêm ngặt về tiết kiệm năng lượng Vì vậy một giao thức định tuyến thiết kế cho mạng cảm biến

để đạt được yêu cầu tiết kiệm năng lượng phải đáp ứng được các tiêu chí sau:

Thứ nhất phải tránh được sự xung đột khi truyền các gói tin trong mạng làm giảm các gói tin phải truyền lại do bị hỏng dẫn đến phát sinh tiêu hao năng lượng

Thứ hai phải giảm thiểu thời gian nghe khi rỗi và tránh nghe thừa gây tiêu hao năng lượng

Và cuối cùng giao thức phải xử lý gói tin điều khiển hiệu quả bởi việc gửi, nhận và nghe những gói tin điều khiển cũng gây tiêu hao năng lượng

Có nhiều giao thức định tuyến được phát triển cho mạng cảm biến không dây

và có thể phân thành bốn loại: định tuyến dựa trên vị trí, định tuyến phẳng, định tuyến phân cấp và định tuyến dựa trên QoS

Định tuyến phẳng: trong định tuyến phẳng mỗi nút cảm biến thực hiện gửi

dữ liệu của nó về trung tâm độc lập với tất cả các nút khác Tuy nhiên, trong các giao thức định tuyến phẳng, khi các nút nguồn gửi dữ liệu của nó về trung tâm, những nút trung gian có thể thực hiện một số dạng tổng hợp dữ liệu từ nhiều nguồn

và gửi dữ liệu tổng hợp về trung tâm Quá trình này có thể giúp tiết kiệm năng lượng do yêu cầu ít phiên truyền hơn để gửi dữ liệu từ các nguồn về trung tâm Các giao thức SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation), EAR (Energy Aware Routing), Direct Diffusion, Rumor Routing… được xếp vào loại giao thức này Với cấu trúc mạng đơn giản của định tuyến phẳng, họ giao thức này cho thấy một số ưu điểm như là giảm số bản tin điều khiển sử dụng Ưu điểm là đơn giản, dễ dàng triển khai cho nhiều loại ứng dụng, số lượng bản tin ít Nhược điểm là dữ liệu

SVTH: Khương Văn Thắng Trang 20

sinh ra không được quản lý, mức độ dư thừa dữ liệu lớn dẫn đến tiêu hao năng lượng nhiều để truyền dữ liệu về trung tâm

Định tuyến dựa trên vị trí : là họ giao thức sử dụng vị trí chính xác của nút

cảm biến để chọn tuyến đường Vị trí địa lý của nút cảm biến có thể được lấy trực tiếp sử dụng thiết bị định vị GPS hoặc gián tiếp thông qua trao đổi dữ liệu về cường

độ tín hiệu nhận được ở mỗi nút Tuy nhiên do việc định vị đòi hỏi thiết bị phần cứng chuyên biệt và làm tăng chi phí tính toán cho nút cảm biến, cách tiếp cận này thực sự không dễ dàng thực hiện do giới hạn về tài nguyên trong mạng cảm biến GEAR (Geographic an Energy Aware Routing) và GAF (Geographic Adaptive Fidelity) là hai giao thức định tuyến sử dụng vị trí điển hình Ưu điểm là có thể tìm được tuyến đường tối ưu Nhược điểm là khả năng ứng dụng thực tế với quy mô lớn

là không cao do chi phí của thiết bị định vị cùng với vấn đề năng lượng tiêu hao cho thực hiện định vị

Định tuyến phân cấp: được đưa ra với mục tiêu tăng cường khả năng thích

nghi và tiết kiệm năng lượng cho mạng thông qua việc phân nhóm các nút cảm biến Trong nhóm giao thức này, các nút sẽ được phân thành các nhóm và một nút với nhiều tài nguyên trong mỗi nhóm sẽ giữ vai trò làm nhóm trưởng Mỗi nhóm trưởng chịu trách nhiệm xử lý dữ liệu nhận được từ các thành viên trong nhóm, giao tiếp với các nhóm trưởng khác và với điểm thu thập dữ liệu Ngược lại, tất cả các nút thành viên trong nhóm cùng thực hiện cảm biến môi trường và chuyển dữ liệu thu thập được tới nhóm trưởng Các tiếp cận này tuy tăng khả năng thích nghi cho mạng tuy nhiên hoạt động phân nhóm và thay thế nhóm trưởng (với mục tiêu phân phối đều năng lượng) làm tăng số lượng bản tin điều khiển phải sử dụng Có 2 hướng tiếp cận khác nhau trong nhóm các giao thức phân cấp để thu thập dữ liệu là: liên tục theo thời gian và theo sự kiện Có nhiều giao thức phân cấp sử dụng cách thu thập liên tục theo thời gian đã được giới thiệu như: LEACH, TEEN, HEED, PEGASIS Trong phương pháp thu thập dữ liệu liên tục theo thời gian, dữ liệu cảm biến được định kỳ gửi về trạm gốc, trái lại trong phương pháp thu thập dữ liệu liên tục theo sự kiện, dữ liệu cảm biến được gửi về BS mỗi khi có sự kiện được phát hiện Các giao thức sử dụng phương pháp hướng sự kiện như APPEES, EMRP

SVTH: Khương Văn Thắng Trang 21

Phương pháp theo sự kiện tỏ ra hiệu quả hơn trong việc tiết kiệm năng lượng, cân bằng năng lượng và tuổi thọ mạng do chỉ hoạt động khi có sự kiện xảy ra, nếu không có sự kiện thì các nút ở trạng thái ngủ để tiết kiệm năng lượng Ưu điểm là tiết kiệm năng lượng, khả năng mở rộng cao, giảm dư thừa dữ liệu Nhược điểm: khá phức tạp, lượng bản tin điều khiển nhiều

Định tuyến theo QoS: bên cạnh yêu cầu tối thiểu hóa năng lượng tiêu hao,

một yếu tố quan trọng khác cần phải quan tâm là yêu cầu về chất lượng dịch vụ như

độ trễ, độ tin cậy, tính chịu lỗi trong định tuyến trong mạng cảm biến không dây WSN SAR (Sequential Assignment Routing), SPEED, Energy Aware QoS Routing Protocol là những giao thức trong nhóm này, chúng được thiết kế để đạt được sự cân bằng giữa năng lượng tiêu hao và các yêu cầu về QoS Ưu điểm là quan tâm đáp ứng yêu cầu của ứng dụng Nhược điểm là cần cân bằng giữa yếu tố năng lượng và chất lượng dịch vụ

Từ các kết quả nghiên cứu thử nghiệm cho thấy định tuyến phân cấp theo sự kiện có khả năng ứng dụng thực tế cao, phù hợp với nhiều loại ứng dụng cảm biến, đáp ứng tốt các yêu cầu của giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây Các nghiên cứu gần đây trong lĩnh vực mạng cảm biến không dây cũng tập trung nhiều vào định tuyến phân cấp hướng sự kiện

3.2 Giao thức ARPEES

3.2.1 Đặc điểm

Giao thức ARPEES (Adaptive Routing Protocol with Energy-Efficiency and Event-Clustering for Wireless Sensor Networks) là một giao thức định tuyến phân cụm theo sự kiện thích ứng hiệu quả năng lượng trong mạng cảm biến không dây [1] Nét đặc trưng trong thiết kế giao thức ARPEES là đáp ứng thích nghi giữa tối

ưu hóa năng lượng, phân cụm theo sự kiện, và truyền tải đa nút Mục tiêu của giao thức là tìm ra tuyến đường truyền tải tối ưu cho dữ liệu đã được tập hợp tới trạm gốc có tính đến quan hệ giữa lượng năng lượng còn lại (tối ưu hóa) của nút chuyển giao và khoảng cách từ nút chuyển giao tới trạm gốc (tuyến đường ngắn nhất) Năng lượng và khoảng cách được dùng làm 2 tham số cho việc lựa chọn tuyến đường truyền tải Các thông số chi phí của giao thức như sau:

SVTH: Khương Văn Thắng Trang 22

- Năng lượng tiêu thụ và cân bằng tải: mục tiêu là giảm tiêu thụ năng lượng ở các nút có phần năng lượng dự trữ thấp hơn bằng cách phân tán năng lượng tiêu thụ cho việc tập hợp,thu thập dữ liệu, truyền tải cho các nút khác nhau

- Cách tiếp cận động và phân tán: xây dựng thuật toán phân cụm phân tán theo yêu cầu, trong đó các thông số được cảm biến của sự kiện hay đối tượng được

sử dụng để phân cụm Một nút có thể đưa ra quyết định mà không cần có sự điều khiển tập trung Với phương thức phân cụm động theo sự kiện, các cụm được tạo thành dựa trên địa điểm và thời gian sự kiện xảy ra trong môi trường Do đó, kích thước của phần hoạt động trong mạng sẽ biến thiên và số lượng cụm không phụ thuộc vào số lượng các nút trong mạng Thêm vào đó phương thức này giúp tiết kiệm năng lượng bởi chỉ một phần của mạng được kích hoạt phản ứng lại một sự kiện

- Tuyến đường tối ưu: số lượng các nút trung gian trên đường truyền hoặc chi phí liên kết được sử dụng làm thông số chi phí để chọn ra tuyến đường tối ưu

- Khả năng thích ứng: khả năng này có nghĩa giao thức có khả năng đáp ứng tốt cho các ứng dụng lớn với sự thay đổi nhanh của topo mạng chống lại lỗi liên kết Việc thêm vào các nút mới thay thế cho các nút lỗi không nên ảnh hưởng đến mạng đang hoạt động

- Kiểm soát overhead: giao thức phải tối thiểu hóa các trao đổi điều khiển cần thiết cho việc phân cụm, lựa chọn cụm trưởng và xử lý trên nút chuyển giao

- Tối ưu hóa: tuyến đường lựa chọn bởi giao thức có ảnh hưởng tới hiệu năng mạng về độ trễ, lưu lượng thực và độ tiết kiệm năng lượng Để đạt tối ưu hóa giao thức cần phải tính toán tới năng lượng pin, bộ nhớ, băng thông…Hoạt động của ARPEES được chia thành các vòng, mỗi vòng bao gồm 2 pha được thể hiện trong hình 2: pha thành lập cụm và lựa chọn cụm trưởng theo sau bởi pha truyền tải dữ liệu trong đó dữ liệu được truyền tới trạm gốc qua các nút chuyển giao

3.1.2 Hai pha hoạt động

a Pha thành lập cụm và thuật toán lựa chọn cụm trưởng:

Ban đầu, tất cả các nút mạng ở trạng thái nghỉ để tiết kiệm năng lượng Khi một sự kiện được phát hiện trong mạng, các nút gần vị trí xảy ra sự kiện được kích

SVTH: Khương Văn Thắng Trang 23

hoạt và sẽ tiến hành đo đạc thuộc tính đã được chỉ định cảm biến Nếu giá trị nhân

tố cảm biến cao hơn mức ngưỡng định trước, các nút đó sẽ thực thi thuật toán để nhóm cụm và chọn cụm trưởng Các nút quảng bá gói tin REQ_CLUSTER tới các nút hàng xóm Bản tin này bao gồm ID của nút, mức năng lượng còn lại và thông tin mô tả dữ liệu cảm biến được sự kiện:

REQ CLUSTER ID i ER i

Sau đó các nút sẽ đặt bộ đếm thời gian tới t1 Trong khoảng thời gian t1, mỗi nút sẽ nhận bản tin REQ_CLUSTER từ tất cả các nút trong cụm và thực thi hàm chọn Cluster_Head như sau:

Trong đó X là tập các nút được kích hoạt bởi sự kiện Khi khoảng thời

gian t1 kết thúc, nút có giá trị F CH (i) lớn nhất sẽ tự bầu nó làm cụm trưởng

Cụm trưởng sẽ lưu trữ ID của tất cả các nút trong tập các nút được kích hoạt X, và lập 1 lịch TDMA để sắp xếp cho từng nút lần lượt gửi dữ liệu tới cụm trưởng Chức năng của lịch là tránh việc xung đột trong truyền tải dữ liệu và đồng bộ hóa giữa các nút bên trong cụm Các nút còn lại tự đặt mình làm nút thành viên và chờ đợi để nhận lịch TDMA từ cụm trưởng Với lịch đã được sắp xếp, các nút có thể tắt các thành phần thu nhận tín hiệu ngoại trừ trong khoảng thời gian truyền tải dữ liệu

SVTH: Khương Văn Thắng Trang 24

Hình 3.1: Lưu đồ của trạng thái thứ nhất

SVTH: Khương Văn Thắng Trang 25

Hình 3.2: thành cụm dựa trên sự kiện và thuật toán lựa chọn cụm trưởng Trong hình 3.2a, nút từ N1 đến N9 xác định sự kiện và chuyển sang trạng

thái hoạt động sau đó quảng bá các bản tin REQ_CLUSTER để trao đổi thông

tin

Ở hình 3.2b chúng ta chỉ minh họa nút N2 và N5 quảng bá dữ liệu

Hình 3.2c: nút N5 trở thành cụm trưởng và quảng bá bản tin về lịch TDMA tới các nút trong mạng

Hình 3.2d: các thành viên trong cụm lần lượt gửi dữ liệu cảm biến về cụm trưởng theo những khe thời gian sắp xếp trong lịch.Thuật toán ở đây đảm bảo nút với mức năng lượng còn lại lớn nhất và gần nhất với sự kiện xảy ra được lựa chọn làm cụm trưởng Thêm nữa chúng ta chỉ sử dụng một loại bản tin để tạo cụm

và chọn cụm trưởng Do đó có thể làm giảm số lượng các bản tin điều khiển gây ra overhead đồng thời giản lượng dữ liệu truyền tải từ các nút tới cụm trưởng (sẽ được

mô tả ở pha sau) bởi cụm trưởng là nút ở gần sự kiện và đã thu thập được sẵn nhiều

dữ liệu hơn các nút ở xa sự kiện

SVTH: Khương Văn Thắng Trang 26

b Pha thu thập dữ liệu

Ở pha này chúng ta sử dụng các nút trung gian để chuyển tiếp các gói tin từ cụm trưởng tới trạm gốc Các nút trung gian này lần lượt phải quyết định hàng xóm nào sẽ nhận gói tin chuyển tiếp Pha truyền dữ liệu bao gồm ba hoạt động chính:

Thu thập dữ liệu bên trong cụm:

Sử dụng lịch TDMA, mỗi nút cảm biến chuyển các thông tin cảm biến tới cụm trưởng trong khe thời gian truyền dữ liệu đã được định trước Một cách đơn giản nhất để tiết kiệm năng lượng là tắt bộ thu nhận khi không trong quá trình truyền tải Cụm trưởng bắt buộc phải liên tục nhận dữ liệu từ các nút trong cụm Một vấn đề cốt lõi ở đây là các nút cảm biến được nhón lại thành cụm bao quanh sự kiện: việc truyền tải sẽ tiêu tốn mức năng lượng thấp nhất do khoảng cách giữa cụm trưởng và các nút cảm biến là nhỏ Một vấn đề khác ở đây là độ ưu tiên của mỗi nút trong lịch TDMA Như đã đề cập trước đó, mỗi cụm trưởng có thông tin về mô tả

dữ liệu trong bản tin của tất cả các nút khác thuộc cụm - I(i) Nhờ đó nó có thể sắp xếp thứ tự và khoảng thời gian cho từng nút truyền tải dữ liệu Nút có nhiều mô tả

dữ liệu sẽ truyền tải trước với nhiều khe thời gian hơn các nút khác Theo sự sắp xếp này, tất cả các nút sẽ được phân khe thời gian nhất định để cảm biến môi trường

và truyền tải dữ liệu cảm biến về cụm trưởng

Thực hiện thu thập dữ liệu

Năng lượng dùng trong xử lý dữ liệu ít hơn rất nhiều so với năng lượng để truyền tải dữ liệu Do đó việc thu thập dữ liệu bằng cách xử lý cục bộ là rất quan trọng để tối thiểu hóa năng lượng sử dụng Để tránh việc truyền tải dữ liệu dư thừa, cụm trưởng thực hiện việc tổng hợp dữ liệu từ dữ liệu thu thập được, và theo đó giảm lượng dữ liệu thô cần gửi tới trạm gốc Dữ liệu né, cùng với các thông tin được yêu cầu bởi trạm gốc, được truyền tới trạm gốc theo kiểu multi-hop

Lựa chọn nút chuyển tiếp và hình thành tuyến đường

Trong giao thức này, cụm trưởng sau khi có gói tin sẵn sàng truyền đi sẽ lựa chọn nút chuyển tiếp để gửi tới trạm gốc với tuyến đường multi-hop thay cho việc truyền trực tiếp gói tin như giao thức LEACH Đầu tiên, cụm trưởng sẽ quảng bá bản tin REQ_RELAY tới tất cả các nút trong phạm vi kết nối của nó để tìm kiếm

SVTH: Khương Văn Thắng Trang 27

nút chuyển tiếp Mỗi nút nhận bản tin REQ_RELAY sẽ tính toán mức năng lượng còn lại của nó và khoảng cách tới trạm gốc, ghi kết quả vào bản tin ACK_RELAY

và gửi lại cho cụm trưởng Cụm trưởng đợi nhận hết gói tin ACK_RELAY từ các nút ứng cử làm nút chuyển tiếp và kiểm tra xem nó có thể truyền trực tiếp dữ liệu tới trạm gốc hay không Nếu không cụm trưởng sẽ thực hiện chức năng Relay_Node để chọn nút chuyển tiếp Nút chuyển tiếp mong muốn cần thỏa mãn một số đặc điểm:

- Nút chuyển tiếp có mức năng lượng còn lại lớn nhất

- Nút chuyển tiếp càng gần trạm gốc càng tốt Việc này có nghĩa nó có khoảng cách lớn nhất so với cụm trưởng và khoảng cách lớn nhất so với cụm trưởng

và khoảng cách ngắn nhất tới trạm gốc

- Tuyến đường multi-hop gần như là đường thẳng giữa cụm trưởng và trạm gốc Sau khi nhận bản tin REQ_RELAY từ tất cả các ứng cử viên, cụm trưởng sẽ có được thông tin cần thiết về cấu trúc mạng

- Hop (cấu trúc mạng liền kề) Tiếp theo cụm trưởng sẽ tính toán hàm Relay_Node để lựa chọn nút chuyển tiếp tốt nhất Hàm được định nghĩa như sau:

Trong đó:ERes (j) : năng lượng còn lại của nút ứng cử j

d(CH,j) và d(j,BS) : khoảng cách tới từ cụm trưởng tới j và khoảng cách từ j

tới trạm gốcY: tập các ứng cử viên để lựa chọn nút chuyển tiếp trong phạm vi tín hiệu của cụm trưởng αj là giá trị góc giới hạn tạo bởi nút j, cụm trưởng và trạm gốc cos αj có thể tính được thông qua biểu thức:

(3.3)

Nút đạt giá trị FRN (j) lớn nhất sẽ được lựa chọn làm nút chuyển tiếp Ở nút

tiếp theo, nút chuyển tiếp sẽ hoạt động như cụm trưởng và tìm kiếm nút chuyển tiếp tiếp theo Quá trình tìm kiếm tuyến đường chuyển tiếp sẽ lặp lại cho tới khi đến

SVTH: Khương Văn Thắng Trang 28

được trạm gốc Cuối cùng, tuyến đường truyền tối ưu sẽ được tạo ra bởi các nút chuyển tiếp giữa cụm trưởng và trạm gốc

Hình 3.3: Lưu đồ của giao thức ARPEES trong pha thứ hai

SVTH: Khương Văn Thắng Trang 29

Hình 3.4: Mô tả 1 ví dụ về hàm lựa chọn nút chuyển tiếp

3.3 Giao thức EMRP

Giao thức Energy-Awared Meshed Routing Protocol (EMRP) [2], là giao thức định tuyến đa đường, có khả năng dự trữ tuyến đường và nhận biết năng lượng nên tỏ ra vượt trội hơn hẳn so với các giao thức định tuyến khác về mặt hiệu quả sử dụng năng lượng, phân bố năng lượng, thời gian sống, tỉ lệ lỗi liên kết và khả năng thích nghi

Hoạt động của EMRP được chia thành các vòng, mỗi vòng lại bao gồm hai pha: pha thành lập nhóm và lựa chọn nhóm trưởng, sau đó là pha tìm tuyến đường

và truyền dữ liệu đến trạm gốc

3.3.1 Pha thiết lập

Trong pha thiết lập mạng, mỗi nút sẽ quảng bá bản tin RELAY_REQUEST

tới tất cả các nút hàng xóm để lấy về thông tin mức năng lượng cũng như vị trí của các nút lân cận từ đó chọn ra nút chuyển tiếp và nút dự trữ

Hàm đánh giá Relay_node sử dụng cho việc lựa chọn nút chuyển tiếp và nút

dự trữ được xây dựng như sau:

SVTH: Khương Văn Thắng Trang 30

j Y RN

FRN(j): Hàm đánh giá để lựa chọn nút chuyển tiếp và nút dự trữ

ERes(j): Năng lượng còn lại của nút ứng cử j

d(j,BS), d(CH,j) và d(CH,BS) : Khoảng cách từ j tới trạm gốc, từ CH tới j và từ

CH tới BS

αj là giá trị góc giới hạn tạo bởi nút j, nhóm trưởng và trạm gốc

Y: tập các ứng cử viên để lựa chọn nút chuyển tiếp trong phạm vi tín hiệu của nhóm trưởng

Sau pha thiết lập, ta có được mô hình mạng cảm biến với các liên kết dạng lưới Mỗi nút sẽ có liên kết tới nút chuyển tiếp và nút dự trữ ở mức dưới nó Ngoại trừ trường hợp các nút có khoảng cách tới gốc nhỏ hơn giới hạn truyền tải của nó, các nút này không tìm kiếm hai nút chuyển tiếp và nút dự trữ mà truyền gói tin dữ liệu trực tiếp tới trạm gốc

SVTH: Khương Văn Thắng Trang 31

Hình 3.5: Mô hình mạng EMRP với liên kết dạng lưới sau pha thiết lập

3.3.2 Pha thành lập nhóm và chọn nhóm trưởng

Khi một sự kiện xảy ra trong mạng, mỗi nút cảm biến trong vùng sự kiện sẽ tiến hành đo đạc thông số cảm biến Nếu thông số cảm biến vượt ngưỡng, bộ phận thu phát tín hiệu của nút cảm biến sẽ được kích hoạt và quảng bá bản tin

EVENT_NOTIFY đến các nút hàng xóm để xác định tập hợp các nút ở trong vùng

sự kiện từ đó thành lập nhóm và bầu chọn nhóm trưởng

Ban đầu, tất cả các nút mạng ở trạng thái nghỉ để tiết kiệm năng lượng Khi một sự kiện được phát hiện trong mạng, các nút gần vị trí xảy ra sự kiện được kích hoạt và sẽ tiến hành đo đạc thuộc tính đã được chỉ định cảm biến Nếu giá trị nhân

tố cảm biến cao hơn mức ngưỡng định trước, các nút đó sẽ thực thi thuật toán để

phân nhóm và chọn nhóm trưởng Các nút quảng bá gói tin STATUS_INFO tới tất

cả các nút hàng xóm Bản tin này bao gồm ID của nút, mức năng lượng còn lại và thông tin mô tả dữ liệu cảm biến sự kiện

Sau đó các nút sẽ đặt bộ đếm thời gian tới t1 Trong khoảng thời gian t1, mỗi

nút sẽ nhận bản tin STATUS_INFO từ tất cả các nút trong nhóm và thực thi hàm

chọn nhóm trưởng - Cluster Head (CH) như sau:

Re

F j E j I j (3.6)

SVTH: Khương Văn Thắng Trang 32

RN

MaxF j  ClusterHead

Trong đó X là tập các nút được kích hoạt bởi sự kiện

E Res(j): Mức năng lượng còn lại của nút j

I(j): Mô tả dữ liệu cảm biến của nút j

Khi khoảng thời gian t1 kết thúc, nút có giá trị FRN(j )lớn nhất sẽ tự bầu nó

làm nhóm trưởng Nhóm trưởng sẽ lưu trữ ID của tất cả các nút trong tập các nút được kích hoạt X, và lập 1 lịch để sắp xếp cho từng nút lần lượt gửi dữ liệu tới nhóm trưởng Các nút còn lại tự đặt mình làm nút thành viên và chờ đợi để nhận lịch từ nhóm trưởng Với lịch đã được sắp xếp, các nút có thể tắt các thành phần thu nhận tín hiệu ngoại trừ trong khoảng thời gian truyền tải dữ liệu Thuật toán ở đây đảm bảo nút với mức năng lượng còn lại lớn nhất và gần nhất với sự kiện xảy ra được lựa chọn làm nhóm trưởng Thêm nữa Giao thức EMRP chỉ sử dụng một loại bản tin để tạo nhóm và chọn nhóm trưởng Do đó có thể làm giảm số lượng các bản tin điều khiển , đồng thời giản lượng dữ liệu truyền tải từ các nút tới nhóm trưởng (sẽ được mô tả ở pha sau) bởi nhóm trưởng là nút ở gần sự kiện và đã thu thập được sẵn nhiều dữ liệu hơn các nút ở xa sự kiện

3.3.3 Pha truyền tải dữ liệu

Ở pha truyền tải dữ liệu, EMRP sử dụng phương thức truyền tải đa tuyến đường sử dụng phương thức chuyển đổi và thay thế nút chuyển tiếp thêm vào đó là một nút sẽ lưu trữ thông tin về nút chuyển tiếp và nút dự trữ của nó cho nhiều vòng

truyền tải Quá trình quảng bá bản tin RELAY_REQUEST sẽ hầu hết được loại bỏ và

chỉ được sử dụng khi cần thiết phải tìm lại hai nút chuyển tiếp và dự trữ mới Khi nhóm trưởng đã xử lý dữ liệu cảm biến nhận được từ các thành viên trong nhóm và

đóng gói vào bản tin DATA_TO_BS nó sẽ gửi ngay gói tin dữ liệu xuống nút

chuyển tiếp mức dưới mà không cần phải quảng bá để tìm tuyến đường

Việc quảng bá RELAY_REQUEST chỉ được kích hoạt khi mức năng lượng

của hai nút chuyển tiếp và dự trữ xuống dưới mức ngưỡng thấp Các nút chuyển tiếp mức bên dưới cũng thực hiện cơ chế tương tự cho tới khi gói dữ liệu đến được trạm