Quản lý năng lượng trong mạng cảm biến không dây (Luận văn thạc sĩ)

Quản lý năng lượng trong mạng cảm biến không dâyQuản lý năng lượng trong mạng cảm biến không dâyQuản lý năng lượng trong mạng cảm biến không dâyQuản lý năng lượng trong mạng cảm biến không dâyQuản lý năng lượng trong mạng cảm biến không dâyQuản lý năng lượng trong mạng cảm biến không dâyQuản lý năng lượng trong mạng cảm biến không dâyQuản lý năng lượng trong mạng cảm biến không dâyQuản lý năng lượng trong mạng cảm biến không dâyQuản lý năng lượng trong mạng cảm biến không dâyQuản lý năng lượng trong mạng cảm biến không dâyQuản lý năng lượng trong mạng cảm biến không dâyQuản lý năng lượng trong mạng cảm biến không dâyQuản lý năng lượng trong mạng cảm biến không dây

LÊ DOÃN TRUNG

QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

LÊ DOÃN TRUNG

QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

Mã số: 8.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

(Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI - 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Các kế thừa của các tác giả khác đã được trích dẫn

Học viên

Lê Doãn Trung

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới các thầy cô là giảng viên và là cán bộ quản lý của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, đặc biệt là các thầy cô trong Khoa viễn thông I và Khoa đào sau đại học đã dành thời gian, tâm huyết và tri thức của mình giúp đỡ và dìu dắt chúng em trong suốt chặng đường của khóa học

Em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Hoàng Trọng Minh - Người đã trực tiếp hướng dẫn, truyền thụ kiến thức cho em trong quá trình tìm hiểu, nghiên cứu trong lĩnh vực mạng cảm biến không dây, giúp em có được những hiểu biết nhất định trong lĩnh vực này và hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu được giao

Em xin cảm ơn gia đình và bạn bè và đồng nghiệp đã luôn ở bên động viên, giúp đỡ em trong suốt chặng đường đã qua, để em có thể hoàn thành nhiệm vụ được giao

Những bước đi đầu tiên trong quá trình tìm hiểu, nghiên cứu khoa học, nghiên cứu lĩnh vực mới Với kiến thức và kinh nghiệm còn nhiều hạn chế, do vậy có những điểm chưa hoàn chỉnh là điều không thể tránh khỏi Em cầu thị sự tiến bộ và rất mong nhận được những chỉ dẫn, góp ý của các thầy cô để kiến thức của em ngày càng vững chắc và hoàn thiện hơn

Hà Nội, ngày tháng năm 20

Học viên

Lê Doãn Trung

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC HÌNH VẼ vii

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1

MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 2

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2

MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 4

1.1 Giới thiệu tổng quan mạng cảm biến không dây 4

1.2 Cấu trúc của mạng cảm biến không dây 8

1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây 12

1.4 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây 13

1.5 Kết luận chương 15

CHƯƠNG 2: NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 16 2.1 Tổng quan về vấn đề năng lượng nút cảm biến 16

2.2 Sự tiêu thụ năng lượng 19

2.2.1 Năng lượng cho nhiệm vụ cảm biến 19

2.2.2 Năng lượng cho truyền thông 19

Năng lượng cho xử lý 20

2.3 Các giải pháp tiết kiệm năng lượng 21

2.3.1 Giải pháp định tuyến 21

2.3.2 Các giao thức lớp mạng khác được đề xuất cho mạng cảm biến 24

2.3.3 Giải pháp truy nhập môi trường truyền dẫn 30

2.3.4 Quản lý nguồn công suất 34

2.3.5 Giải pháp sử dụng các nguồn năng lượng trong tự nhiên 39

2.4 Kết luận chương 42

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ TỔN HAO NĂNG LƯỢNG VỚI GIAO TUYẾN ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG 44

3.1 Giới thiệu chung 44

3.2 Giao thức chọn ổn định SEP 45

3.2.1 Nhóm theo phân cấp 46

3.2.2 Chia nhóm tối ưu 47

3.3 Giao thức chọn ổn định nâng cao SEP-E 50

3.4 Giao thức ổn định nâng cao SEP-E (RCH) 52

3.4.1 Lựa chọn đầu cụm đầu tiên 53

3.4.2 Lựa chọn đầu cụm dự phòng 54

3.4.3 Xác định đầu cụm 54

3.4.4 Giai đoạn truyền dữ liệu 55

3.5 Mô phỏng kiểm chứng 56

3.6 Kết luận chương 57

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58

DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Thuật

ngữ viết

tắt

Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt

CSMA Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm biến sóng mang

CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with

Collision Detect

Đa truy nhập nhận biết sóng mang

phát hiện xung đột

GAF Geographic Adaptive Fidelity Định tuyến dựa trên vị trí GBR Gradient based routing Định tuyến dựa trên khoảng cách GPS Global Possition System Hệ thống định vị toàn cầu

GLONSS Global Orbiting Navigation Satellite

System

Hệ thống vệ tinh dẫn đường quỹ

đạo toàn cầu

GEAR Geographic and Energy-Aware

RTS Request to Send Yêu cầu gửi

SMP Sensor Management Protocol Giao thức quản lý cảm biến

SPIN Sensor Protocol for Information via

TADAP Task Assignment and Data

Advertisement Protocol

Giao thức phân nhiệm vụ và

quảng cáo số liệu

TDMA

Time division multiple access Đa truy nhập phân chia theo thời

gian

TEEN Threshold sensitive Energy Efficient

sensor Network protocol

Giao thức hiệu quả năng lương cảm nhận mức ngưỡng

PEGASIS Power-efficient Gathering in Sensor

Information Systems

Thu thập năng lượng hiệu quả trong hệ thống thông tin cảm biến

WSN Wireless sensor network Mạng cảm biến không dây

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Cấu tạo của nút cảm biến 6

Hình 1.2: Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây 9

Hình 1.3: Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến 9

Hình 1.4: Cấu trúc tầng của mạng cảm biến 10

Hình 1.5: Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp 10

Hình 1.6: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến 12

Bảng 2.1: Các dải tần dành cho các ứng dụng ISM 17

Hình 2.1: Hiệu quả năng lượng trong định tuyến 22

Hình 2.2: Ví dụ về tập hợp số liệu 24

Hình 2.3: Giao thức SPIN 27

Bảng 2.2: Tóm tắt các giao thức MAC cho mạng cảm biến 32

Hình 3.1: Mô hình tiêu tan năng lượng radio 47

Hình 3.2: Lựa chọn đầu cụm 55

Hình 3.3: Số lượng nút chết theo các vòng với năng lượng ban đầu cố định 56

Hình 3.4: Số lượng nút chết theo các vòng với năng lượng ban đầu thay đổi 57

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Với sự phát triển và ứng dụng nhanh chóng của mạng cảm biến không dây vào các linh vực của xã hội: Quốc phòng, y tế, điều khiển, môi trường, nông nghiệp, hộ gia đình (nhà thông minh)… Đây sẽ là cơ hội mở ra hướng kinh doanh đầy tiềm năng cho các VNPT tỉnh thành

Không giống như các mạng không dây đang tồn tại, các nút mạng trong mạng cảm biến không dây có kích thước rất nhỏ và có nguồn năng lượng hạn chế (rất khó hoặc không có khả năng nạp thêm), topo mạng không ổn định… Do đó các kỹ thuật

và các giao thức được phát triển cho các mạng không dây đã và đang tồn tại không thể áp dụng trực tiếp cho mạng cảm biến không dây được

Do các nút mạng trong mạng cảm biến không dây có năng lượng hạn chế, tuổi thọ của mạng lại phụ thuộc các nút mạng, đồng nghĩa với việc phụ thuộc vào mức tiêu hao năng lượng của các nút mạng mà nguyên nhân chính của sự tiêu hao năng lượng của các nút mạng là hoạt động truyền thông Do vậy quản lý tốt các hoạt động truyền thông của nút mạng góp phần đáng kể vào việc kéo dài tuổi thọ cũng như tăng tính hiệu quả của mạng

Với mục đích nắm bắt những tiến bộ công nghệ trong lĩnh vực này để phục

vụ cho công tác tại đơn vị Vì vậy tôi chọn đề tài nghiên cứu “Quản lý năng lượng trong mạng cảm biến không dây” làm đề tài nghiên cứu trong luận văn tốt nghiệp

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Kể từ khi mạng cảm biến không dây ra đời, đã có nhiều giao thức định tuyến được thiết kế sử dụng cho mạng này Có thể liệt kê như là SPIN, LEACH, PEAGSIS, TEEN … Ngoài hướng nghiên cứu các giao thức định tuyến mới thì việc nghiên cứu cải tiến các giao thức đã có giúp mạng hoạt động ổn định hơn cũng rất cần thiết và quan trọng

LEACH là một giao thức định tuyến phân cụm thích nghi được đề xuất bởi Wendi B Heinzelman Các mục tiêu chính của LEACH là: tăng tuổi thọ mạng, giúp

mạng tiêu thụ năng lượng thấp, giảm số lượng thông điệp truyền thông bằng tập hợp

dữ liệu Leach được gọi là "Giao thức thích nghi năng lượng hiệu quả cho nhóm các mạng cảm biến không dây ”

Giao thức chọn ổn định nâng cao SEP-E (RCH) được phát triển dựa trên nền tảng LEACH đã được nghiên cứu trong nhiều công trình khoa học, và một hướng riêng của SEP-E (RCH) sẽ được nghiên cứu và trình bày trong luận văn này

MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Khảo sát, đánh giá và phân tích bài toán năng lượng trong mạng cảm biến không dây sử dụng giao thức SEP-E (RCH) với cấu hình chuẩn truyền thông cụ thể Trong một mạng phân bố có diện tích 100m x 100m với nút sink nằm ở giữa

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu khảo sát và thực hiện minh chứng bằng mô phỏng Sử dụng công

cụ matlab để kiểm chứng mức độ tiết kiệm năng lượng của giao thức nghiên cứu trong bài toán cụ thể đã nêu

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu lý thuyết: Sưu tầm, nghiên cứu tài liệu về tổng quan mạng cảm biến không dây, các vấn đề liên quan đến tiêu thụ năng lượng trong mạng WSN (Giao thức định tuyến, cực tiểu năng lượng, quản lý nguồn công suất, tối ưu đường đi…)

Nghiên cứu thực nghiệm: Đưa ra đề xuất cấu hình truyền thông tối ưu về mặt năng lượng; Tiến hành mô phỏng, so sánh và đánh giá kết quả

MỞ ĐẦU

Ngày nay, mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) đang được áp dụng rộng rãi và ngày càng không thể thiếu trong hầu hết các lĩnh vực của đời sống xã hội Lịch sử phát triển của mạng cảm biến không dây có đóng góp không nhỏ từ những nhu cầu trong lĩnh vực quân sự Từ những năm cuối thập niên

70 của thế kỷ 20, cơ quan đặc trách nghiên cứu quốc phòng cao cấp (DARPA) của

Mỹ đã tổ chức hội thảo về mạng cảm biến nhằm nêu ra những thách thức và hướng

đi công nghệ cho lĩnh vực này Trong những năm tiếp theo, các thuật toán phân bố

và các kỹ thuật xử lý tín hiệu dần được xây dựng và hoàn thiện cho đến ngày nay

Có nhiều vấn đề đặt ra trong lĩnh vực mạng cảm biến không dây, như vấn đề

về năng lượng, vấn đề về đồng bộ, vấn đề về mở rộng mạng Trong đó, vấn đề được quan tâm đặc biệt là về năng lượng của mạng cảm biến không dây Sở dĩ, người ta quan tâm đến vấn đề này là do đặc thù các nút cảm biến trong mạng có nguồn năng lượng giới hạn, hầu như không có khả năng bổ xung năng lượng Việc này làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến tuổi thọ của từng nút mạng nói riêng cũng như toàn mạng cảm biến nói chung Năng lượng được sử dụng trong mạng cảm biến không dây được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, nhưng một trong những nhiệm vụ tiêu tốn năng lượng nhiều nhất đó là công tác truyền thông giữa các nút mạng Do vậy, nếu quản lý tốt các hoạt động truyền thông của nút mạng sẽ đóng góp đáng kể vào việc kéo dài tuổi thọ của mạng cũng như tăng tính hiệu quả của mạng Trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, em đã

lựa chọn đề tài “Quản lý năng lượng trong mạng cảm biến không dây” để tìm

hiểu, nghiên cứu trong luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật viễn thông Trong quá trình nghiên cứu, chắc chắn sẽ có nhiều nội dung cần có sự góp ý, đóng góp ý kiến và chỉ dẫn của T.S Hoàng Trọng Minh cùng các thầy cô trong khoa Viễn thông I, trong Học viện CNBCVT, cũng như ý kiến đóng góp của các đồng nghiệp để cho luận văn của em hoàn thiện hơn

Trân trọng!

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

1.1 Giới thiệu tổng quan mạng cảm biến không dây

Từ những thập niên cuối của thế kỷ 20, với sự phát triển như vũ bão của ngành công nghệ kỹ thuật số đã thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển các công nghệ viễn thông và công nghệ thông tin, được ứng dụng vào mọi lĩnh vực trong các hoạt động phát triển sản xuất và giao tiếp xã hội của con người Với độ bao phủ rộng khắp trên toàn cầu đã và đang đáp ứng được cơ bản nhu cầu trao đổi, khai thác, lưu giữ thông tin của nhân loại Tuy nhiên, trong một số hoàn cảnh và điều kiện đặc biệt như thiên tai hoặc chiến tranh … khi đó các hạ tầng mạng viễn thông cố định bị phá vỡ, không thể phục hồi hoặc khắc phục ngay Xuất phát từ thực tiễn đó, một công nghệ mạng mới đã được nghiên cứu và phát triển, để đáp ứng việc trao đổi thông tin đó là công nghệ truyền thông đa bước tùy biến không dây (Ad-hoc)

Mạng Ad-hoc là một mạng với tập hợp các nút mạng di động sử dụng truyền dẫn không dây, có phân bố ngẫu nhiên về mặt địa lý tạo thành một mạng tạm thời

và không sử dụng bất cứ cấu trúc hạ tầng mạng sẵn Các nút mạng liên lạc với nhau qua môi trường vô tuyến không cần các bộ định tuyến cố định, vì vậy mỗi nút mạng phải đóng vai trò như một bộ định tuyến di động có trang bị một bộ thu phát không dây Các bộ định tuyến tự do di chuyển ngẫu nhiên, vì vậy cấu trúc mạng (topology mạng) thay đổi thường xuyên Như vậy mạng có thể hoạt động độc lập hoặc có thể kết nối với các hạ tầng mạng cố định còn lại hoặc khu vực lân cận để tạo thành mạng thông tin khu vực hoặc toàn cầu

Một trong những mô hình mạng con của mạng Ad-hoc là mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Netwwork –WSN) Mạng cảm biến không dây được phát triển và triển khai cho nhiều lĩnh vực khác nhau như: theo dõi sự thay đổi của môi trường, khí hậu; Giám sát trong lĩnh vực quân sự; Chuẩn đoán sự hỏng hóc của

máy móc trong công nghiệp; Quản lý thuốc trong các bệnh viên trong lĩnh vực y tế; theo dõi và điều khiển giao thông, các phương tiện giao thông

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network-WSN) có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các nút mạng (node) với nhau (kết nối có thể là bằng sóng vô tuyến hoặc ánh sáng), để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu phân tán với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện thời tiết và ở bất cứ điều kiện địa lí nào Trong đó các nút mạng là các thiết bị cảm biến, thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp có số lượng lớn, được phân bố một cách không có cấu trúc cụ thể (non-topology) sử dụng nguồn năng lượng hạn chế, có thời gian hoạt động lâu dài (vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ, áp suất )

Các nút mạng có chức năng cảm biến (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 Các nút giao tiếp với nhau và truyền dữ liệu về trung tâm một cách gián tiếp

Việc thiết kế một mô hình mạng cảm biến không dây chuẩn để đáp ứng được hàng loạt các ứng dụng trên thực tế là việc là vô cùng khó khăn và phức tạp Do đó, với mỗi một loại ứng dụng cụ thể phải thiết kế một mạng cảm biến không dây phù hợp với qui mô ứng dụng Thiết kế mạng cảm biến không dây cần đáp ứng một số điểm chung như sau:

- Khả năng tự tổ chức mạng của các nút mạng

- Sử dụng truyền thông không dây và truyền đa bước

- Triển khai nhanh với số lượng lớn trên phạm vi rộng

- Năng lượng, dung lượng bộ nhớ và khả năng xử lý

- Khả năng quảng bá trong phạm vi hẹp, nhiễu lớn

- Định tuyến multihop

Ngoài những ưu điểm có được, mạng cảm biến không dây còn đối mặt với rất nhiều vấn đề cần giải quyết Điểm quan trọng và then chốt đó là nguồn năng lượng giới hạn của các nút mạng, điều này làm ảnh hưởng tới thời gian sống của nút mạng nói riêng cũng như tuổi thọ của toàn mạng nói chung Đã có rất nhiều nghiên cứu đã

và đang tập trung vào giải pháp sử dụng hiệu quả năng lượng của mạng cảm biến Một trong những giải pháp hiệu quả đã và đang được nghiên cứu là sử dụng giao thức định tuyến tối ưu cho từng loại mạng cụ thể để tìm đường đi giữa các nút mạng, qua đó giảm thiểu năng lượng sử dụng của mỗi nút mạng và các nút lân cận

nó, kéo dài đáng kể thời gian sống của mối nút làm tăng tuổi thọ của mạng

Cấu tạo của một nút cảm biến

Hình 1.1: Cấu tạo của nút cảm biến

Nút cảm biến được cấu tạo bởi 4 khối chức năng chính:

- Bộ cảm biến (Sensing unit): Gồm 2 khối chức năng: Khối cảm biến có chức năng

cảm biến thay đổi môi trường; Khối chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (Analog to Digital Converter - ADC) có chức năng chuyển đổi tín hiệu tương tự nhận từ khối cảm biến sang tín hiệu số

Đầu cảm biến dựa trên những thông số thu được từ sự thay đổi của môi trường xung quanh tạo ra ra tín hiệu tương tự tương ứng với các trạng thái thay đổi của môi trường, sau đó những tín hiệu này được chuyển thành tín hiệu số thông qua khối ADC rồi sau đó được đưa vào khối xử lý

- Bộ xử lý (Processing unit): Được cấu tạo từ 2 khối chức năng: Thiết bị xử lý (bộ

xử lý) và thiết bị lưu trữ (bộ nhớ) Nhiệm vụ của Bộ xử lý điều khiển, quản lý hoạt động của các khối chức năng trong nút, quản lý các thủ tục vào ra trong nút kết nối với các nút lân cận để thực hiện các nhiệm vụ được định sẵn

Bộ xử lý là thành phần quan trọng nhất trong nút mạng cảm biến không dây, thực hiện thu thập dữ liệu từ các nút, xử lý dữ liệu đó và gửi đi, đồng thời nhận dữ liệu từ các nút khác chuyển tới Có khả năng liên kết nhúng, mềm dẻo trong kết nối với các thiết bị khác, tiêu thụ năng lượng thấp nhờ khả năng tự chuyển sang chế độ ngủ đông, khi đó chỉ có một phần của vi điều khiển hoạt động Một đặc điểm nổi bật của bộ xử lý là khả năng lập trình bằng các ngôn ngữ lập trình bậc cao (C, C++)

Bộ nhớ được sử dụng để lưu trữ dữ liệu đã xử lý thu được từ các nút, có hai kiểu kiến trúc bộ nhớ thường được sử dụng: kiến trúc havard và kiến trúc Von newman Trong kiến trúc havard, bộ nhớ dữ liệu và chương trình tách biệt nhau, dữ liệu được chứa trong RAM còn chương trình được chứa trong ROM hoặc bộ nhớ FLASH Mặt khác, trong kiến trúc Von newman, dữ liệu và chương trình được lưu cùng với nhau (trên RAM), nhược điểm của kiểu kiến trúc này là dữ liệu sẽ bị mất khi nguồn bị tắt, Do vậy, hệ điều hành thường được lưu trữ trên ROM, EEPROM, hoặc bộ nhớ flash

- Bộ thu phát (Transceiver unit): Có chức năng thu/phát tín hiệu, kết nối nút với

các nút khác trong mạng theo yêu cầu của bộ xử lý đưa ra Bộ thu phát sử dụng kết nối không dây để thu phát tín hiệu (sóng vô tuyến, truyền thông quang, sóng siêu

âm, từ trường…) Trong đó, sóng vô tuyến được cho hầu hết các ứng dụng của mạng không dây do dải thông lớn với tốc độ dữ liệu cao là phù hợp cho hầu hết các ứng dụng của mạng không dây

Các nút thực hiện cả chức năng nhận và truyền dữ liệu (điều chế, giải điều chế, khuếch đại, lọc, trộn …) sau đó chuyển dữ liệu (luồng bit, byte hoặc khung dữ liệu) thành sóng vô tuyến Thông thường, hai khối thu/phát thường được kết hợp thành một thiết bị duy nhất Do vậy, tại một thời điểm không thể thực hiện đồng

thời vừa truyền vừa nhận dữ liệu, việc truyền và nhận sẽ được luân phiên nhau và được điều khiển bởi hệ điều hành

Một số lưu ý khi lựa chọn thiết bị cho bộ thu phát:

- Khả năng phục vụ cho lớp trên (MAC), cho phép lớp này điều khiển gói dữ liệu

- Tần số sóng mang, đa kênh trong truyền thông

- Tốc độ dữ liệu tương ứng với tần số sóng mang và băng tần

- Bộ nguồn (Power Unit): Có chức năng cung cấp nguồn cho toàn bộ hoạt động

của nút, tiếp nhận năng lượng bổ xung từ bộ sinh năng lượng (nếu có)

Một số loại nút cảm biến còn được bổ xung thêm các thành phần để phù hợp với nhiệm vụ cụ thể:

- Hệ thống tìm vị trí (Location Finding System): Trong một số trường hợp đòi hỏi

độ chính xác cao về số liệu cảm biến hay định tuyến thì các nút sẽ được gắn thêm

bộ phận này

- Thiết bị di động (Mobilizer): Làm nhiệm vụ quản lý các chuyển động cho những

nhiệm vụ được định sẵn tùy thuộc vào nhiệm vụ mà nút cảm biến có thể được trang

bị thêm bộ phận này

- Bộ sinh năng lượng (Power Generator): Có chức năng tiếp nhận năng lượng bổ

xung từ các nguồn khác (năng lương mặt trời, năng lượng sinh học, năng lượng nhiệt… ), cung cấp năng lượng cho bộ nguồn của nút

1.2 Cấu trúc của mạng cảm biến không dây

Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây được thể hiện trên hình 1.2 Các nút cảm biến được triển khai trong một trường cảm biến (Sensor field) Mỗi nút cảm biến được phát tán trong mạng có khả năng thu thập thông tin, định tuyến số liệu thu được về bộ thu nhận (Sink) để chuyển tới người dùng (User) và định tuyến các bản tin mang theo yêu cầu từ nút Sink đến các nút cảm biến Số liệu được định tuyến về phía bộ thu nhận (Sink) theo cấu trúc đa liên kết không có cơ sở hạ tầng nền tảng (Multihop Infrastructureless Architecture), tức là không có các trạm thu

phát gốc hay các trung tâm điều khiển Bộ thu nhận có thể liên lạc trực tiếp với trạm điều hành (Task Manager Node) của người dùng hoặc gián tiếp thông qua Internet hay vệ tinh (Satellite)

Hình 1.2: Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây

Có hai kiểu cấu trúc thường được triển khai, đó là cấu trúc phẳng và cấu trúc tầng:

 Cấu trúc phẳng

Trong cấu trúc phẳng (flat architecture) (hình 1.3), tất cả các nút đều ngang hàng và đồng nhất về hình dạng và chức năng Các nút giao tiếp với sink qua multihop sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng Với phạm vi truyền cố định, các nút gần sink hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với các nút còn lại Giả thiết rằng tất cả các nút đều dùng cùng một tần số để truyền dữ liệu

Hình 1.3: Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến

 Cấu trúc tầng

Trong cấu trúc tầng (tiered architecture) (hình 1.4), các cụm được tạo ra giúp các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu singlehop hay multihop (tùy thuộc

vào kích cỡ của cụm) đến một nút định sẵn, thường gọi là nút chủ (cluster head) Trong cấu trúc này các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi nút ở một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn

Hình 1.4: Cấu trúc tầng của mạng cảm biến

Trong cấu trúc tầng thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu không đồng đều giữa các nút Những chức năng này có thể phân theo cấp, cấp thấp nhất thực hiện tất cả nhiệm vụ cảm biến, cấp giữa thực hiện tính toán, và cấp trên cùng thực hiện phân phối dữ liệu (hình 1.5)

Hình 1.5: Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp

Mạng cảm biến xây dựng theo cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn cấu trúc phẳng, do các lý do sau:

- Cấu trúc tầng có thể giảm chi phí khi triển khai mạng cảm biến bằng việc định vị các tài nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động hiệu quả nhất Rõ ràng là nếu triển khai các phần cứng thống nhất, mỗi nút chỉ cần một lượng tài nguyên tối thiểu

để thực hiện tất cả các nhiệm vụ Vì số lượng các nút cần thiết phụ thuộc vào vùng phủ sóng xác định, chi phí của toàn mạng sẽ cao Thay vào đó, nếu một số lượng lớn các nút có chi phí thấp được chỉ định làm nhiệm vụ cảm biến, một số lượng nhỏ hơn các nút có chi phí cao hơn được chỉ định để phân tích dữ liệu, định vị và đồng

bộ thời gian, chi phí cho toàn mạng sẽ giảm đi

- Mạng cấu trúc tầng sẽ có tuổi thọ cao hơn cấu trúc mạng phẳng Khi cần phải tính toán nhiều thì một bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời gian yêu cầu thực hiện tính toán Tuy nhiên, với các nhiệm vụ cảm biến cần hoạt động trong khoảng thời gian dài, các nút tiêu thụ ít năng lượng phù hợp với yêu cầu

xử lý tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn Do vậy, với cấu trúc tầng mà các chức năng mạng phân chia giữa các phần cứng đã được thiết kế riêng cho từng chức năng

sẽ làm tăng tuổi thọ của mạng

- Về độ tin cậy: mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với với số lượng các nút yêu cầu thỏa mãn điều kiện về băng thông và thời gian sống Với mạng cấu trúc phẳng, qua phân tích người ta đã xác định thông lượng tối ưu của mỗi nút trong mạng có

n nút là W

n , trong đó W là độ rộng băng tần của kênh chia sẻ Do đó, khi

kích cỡ mạng tăng lên thì thông lượng của mỗi nút sẽ giảm dần về 0

- Việc nghiên cứu các mạng cấu trúc tầng đem lại nhiều triển vọng để khắc phục vấn đề này Một cách tiếp cận là dùng một kênh đơn lẻ trong cấu trúc phân cấp, trong đó các nút ở cấp thấp hơn tạo thành một cụm xung quanh trạm gốc Mỗi một trạm gốc đóng vai trò là cầu nối với cấp cao hơn, cấp này đảm bảo việc giao tiếp trong cụm thông qua các bộ phận hữu tuyến Trong trường hợp này, dung lượng của mạng tăng tuyến tính với số lượng các cụm, với điều kiện là số lượng các cụm tăng ít nhất phải nhanh bằng n Các nghiên cứu khác đã thử cách dùng các kênh

khác nhau ở các mức khác nhau của cấu trúc phân cấp Trong trường hợp đó, dung lượng của mỗi lớp trong cấu trúc tầng và dung lượng của mỗi cụm trong mỗi lớp xác định là độc lập với nhau

Tóm lại, việc tương thích giữa các chức năng trong mạng có thể đạt được khi dùng cấu trúc tầng Đặc biệt, người ta đang tập trung nghiên cứu về các tiện ích tìm địa chỉ Những chức năng như vậy có thể phân phối đến mọi nút và phân bố đến tập con của các nút Giả thiết rằng các nút đều không cố định và phải thay đổi địa chỉ một cách định kì, sự cân bằng giữa những lựa chọn này phụ thuộc vào tần số thích hợp của chức năng cập nhật và tìm kiếm Hiện nay, cũng đang có rất nhiều mô hình tìm kiếm địa chỉ trong mạng cấu trúc tầng

1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây

Trong hình 1.6 là kiến trúc giao thức (Mô hình phân lớp OSI), được sử dụng cho mạng cảm biến không dây Kiến trúc này bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý Các mặt phẳng này quản lý để các nút có thể làm việc cùng nhau theo cách

có hiệu quả nhất, định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến không dây và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến

Hình 1.6: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến

 Lớp vật lý: Có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang, phát hiện tín hiệu, điều chế và mã hóa tín hiệu Băng tần ISM 915 MHZ được sử dụng

rộng rãi trong mạng cảm biến Vấn đề hiệu quả năng lượng cũng cần phải được xem xét ở lớp vật lý

 Lớp liên kết dữ liệu: Lớp này có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu, phát hiện các khung (frame) dữ liệu, cách truy nhập đường truyền và điều khiển lỗi Vì môi trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả năng tối thiểu hoá việc va chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận

 Lớp mạng: Được thiết kế tuân theo nguyên tắc sau:

- Hiệu quả năng lượng luôn luôn được coi là vấn đề quan trọng

- Mạng cảm biến chủ yếu là tập trung dữ liệu

- Tích hợp dữ liệu chỉ được sử dụng khi nó không cản trở sự cộng tác

có hiệu quả của các nút cảm biến

 Lớp truyền tải: Chỉ cần thiết khi hệ thống có kế hoạch được truy cập thông qua mạng Internet hoặc 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

1.4 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây

Như trên ta đã đề cập đến các lĩnh vực ứng dụng mạng cảm biến không dây

Cụ thể ta sẽ xem xét kỹ một số ứng dụng như sau để hiểu rõ sự cần thiết của mạng cảm biến không dây

Các mạng cảm biến có thể bao gồm nhiều loại cảm biến khác nhau như cảm biến động đất, cảm biến từ trường ( với tốc độ lấy mẫu thấp), cảm biến thị giác, cảm biến hồng ngoại, cảm biến âm thanh, radar… mà có thể quan sát một vùng rộng lớn các điều kiện xung quanh đa dạng bao gồm: Nhiệt độ, độ ẩm, sự chuyển động của dòng xe, ánh sáng…

Các nút cảm biến có thể được sử dụng để cảm biến liên tục hoặc là phát hiện

sự kiện, số nhận dạng sự kiện, cảm biến vị trí và điều khiển cục bộ

Khái niệm vi cảm biến và kết nối không dây của những nút này hứa hẹn nhiều vùng ứng dụng mới Chúng ta phân loại các ứng dụng này trong quân đội, môi trường, sức khỏe, gia đình và các lĩnh vực thương mại khác

 Ứng dụng trong quân đội

Mạng cảm biến không dây có thể tích là một phần tích hợp trong hệ thống điều khiển quân đội, giám sát, giao tiếp, tính toán thông minh, trinh sát, theo dõi mục tiêu Với đặc tính triển khai nhanh, tự tổ chức và có thể tự sửa lỗi của mạng cảm biến làm cho chúng trở thành một giải pháp đầy hứa hẹn ứng dụng cho các hệ thống kỹ thuật trong quân đội Vì mạng cảm biến dựa trên sự triển khai dày đặc của các nút cảm biến có sẵn, chi phí thấp và sự phá hủy của một vài nút bởi quân địch không ảnh hưởng đến hoạt động của mạng Do vậy, mạng cảm biến dần trở thành một ứng dụng không thể thiếu đối với lĩnh vực quân sự

 Ứng dụng trong môi trường

Một vài ứng dụng trong môi trường của mạng cảm biến bao gồm theo dõi sự

di cư của các loài chim, các động vật nhỏ, các loại côn trùng, theo dõi điều kiện môi trường làm ảnh hưởng đến mùa màng và vật nuôi, việc tưới tiêu, quan sát diện tích một vùng rộng lớn trên trái đất, sự thăm dò các hành tinh, phát hiện sinh-hóa, nông nghiệp chính xác, quan sát môi trường, trái đất, môi trường vùng biển và bầu khí quyển, phát hiện cháy rừng, nghiên cứu khí tượng học và địa lý, phát hiện lũ lụt, nghiên cứu sự ô nhiễm…

 Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe

Một vài ứng dụng về sức khỏe đối với mạng cảm biến như là giám sát bệnh nhân, các triệu chứng bệnh lý, quản lý thuốc trong bệnh viện, theo dõi và kiểm tra bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh viện…

 Tự động hoá trong gia đình và điện dân dụng

Gia đình là không gian ứng dụng rất lớn cho triển khai mạng cảm biến không dây Nhiều ứng dụng hữu ích như kiểm soát vật nuôi, kiểm tra độ ẩm cây trồng, kiểm soát côn trùng có hại

 Giám sát và điều khiển công nghiệp

Mạng không dây được ứng dụng rộng rãi trong quản lý và sản xuất công nghiêp như: trạng thái các van, trạng thái thiết bị, nhiệt độ và áp suất của nguyên liệu được lưu trữ…, đầu vào các thiết bị để điều khiển các bộ truyền động trong các

hệ thống máy móc

1.5 Kết luận chương

Trong chương 1, đã giới thiệu tổng quan về đặc điểm, kiến trúc mạng cảm biến, phần cứng, phần mềm của nút và các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực dân sự cũng như quân sự, y tế, môi trường Qua đó, ta thấy rõ được tầm quan trọng và tiềm năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến trong phát triển sản xuất, quản lý

và vận hành xã hội, an ninh, quốc phòng hay Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ sẽ hứa hẹn thêm nhiều ứng dụng mới của mạng cảm biến

Bộ thu phát của các nút cảm biến có thể là các thiết bị quang thụ động hoặc tích cực hoặc các thiết bị vô tuyến (RF) Truyền thông tần số vô tuyến yêu cầu điều chế, bộ lọc thông dải, giải điều chế và ghép kênh làm cho chúng trở nên đắt và phức tạp Ngoài ra, suy hao đường truyền tín hiệu giữa hai nút cảm biến tỷ lệ theo lũy thừa bậc bốn của khoảng cách do các nút cản biến sử dụng antent đẳng hướng Tuy nhiên, truyền thông vô tuyến được quan tâm trong hầu hết các dự án nghiên cứu vì các gói tin truyền trong mạng cảm biến có kích thước nhỏ, tốc độ số liệu thấp (thường nhỏ hơn 1Hz) Mặc dù vây, thiết kế các mạch vô tuyến có hiệu quả về năng lượng và hệ số sử dụng thấp vẫn còn là một thách thức công nghệ Các kĩ thuật vô tuyến dân dụng hiện nay không được đảm bảo cho mạng cảm biến không dây vì chúng tiêu thụ nhiều năng lượng và được cấp nguồn liên tục

Các nút cảm biến được triển khai dày đặc rất gần hoặc trực tiếp bên trong mục tiêu để quan sát Vì thế, chúng thường hoạt động tự động tại các vùng cách xa Chúng có thể làm việc trong mọi môi trường, kể cả trong các môi trường khắc nghiệt nhất, có thể liệt kê như sau:

 Trong các phần tiếp giáp

 Bên trong các bộ phận lớn của máy móc

 Trong các đường ống hay dòng sông theo dòng chảy

Như vậy các nút cảm biến phải làm việc với các điều kiện rất khó khăn: trong điều kiện áp suất hay nhiệt độ cao, hoặc trong các môi trường cực kỳ khắc nghiệt Vì vậy với mỗi trường hợp phải có một kế hoạch thiết kế thích hợp

Trong một mạng cảm biến đa liên kết, các nút mạng thông tin với nhau qua môi trường không dây Các liên kết này có thể là sóng vô tuyến, tín hiệu quang học

Liên kết vô tuyến sử dụng các dải tần trong công nghiệp, khoa học và y học (Industrial Scientific and Medical - ISM) được qui định ở phạm vi quốc tế Các dải tần này được thông tin quảng bá trong hầu hết các nước Bảng phân phối tần số quốc tế trong quy định tần dải tần dành cho các ứng dụng ISM (bảng 2.1)

Bảng 2.1: Các dải tần dành cho các ứng dụng ISM

Dải tần Tần số trung tâm

Một số dải tần này đã được sử dụng cho các hệ thống điện thoại cầm tay và mạng nội bộ không dây (Wireless LAN) Các mạng cảm biến sử dụng bộ thu phát kích cỡ nhỏ, giá rẻ và công suất tiêu thụ cực thấp Do các hạn chế về phần cứng và

sự cân bằng giữa hiệu quả antent và công suất tiêu thụ giới hạn nên phải lựa chọn sóng mang thuộc dải tần rất cao (UHF) Các bộ thu phát sử dụng dải tần 433MHz ISM ở Châu Âu và 915 MHz ở Bắc Mỹ Thuận lợi chính của các dải tần ISM là sử dụng tự do, phổ rộng và thông dụng Chúng không vượt khỏi các tiêu chuẩn riêng,

do đó có thể phù hợp với các kế hoạch tiết kiệm năng lượng Mặt khác, còn có các hạn chế khác như giới hạn công suất và nhiễu gây hại từ các ứng dụng đã triển khai

do các dải tần ISM không được quản lý

Một kiểu truyền thông khác trong mạng cảm biến là sử dụng hồng ngoại Thông tin hồng ngoại được sử dụng tự do và có khả năng chống nhiễu từ các thiết

bị điện tử Các bộ thu phát hồng ngoại có giá thành rẻ và dễ chế tạo Ngày nay, các máy tính xách tay, máy tính cầm tay và điện thoại di động đều có cổng giao tiếp hồng ngoại Trở ngại chính của việc sử dụng hồng ngoại là yêu cầu phải có một đường nhìn thẳng giữa nơi gửi và nơi nhận điều này làm cho hồng ngoại khó được

sử dụng trong trường hợp mạng cảm biến

Một xu hướng phát triển đáng quan tâm là các vi hạt thông minh (smart dust mote), một hệ thống cảm biến, tính toán và thông tin tự động, sử dụng môi trường truyền dẫn quang học Có hai phương pháp truyền thông tin:

- Thứ nhất là truyền thông thụ động sử dụng một máy phản chiếu có dạng tam

diện chữ nhật

5725 – 5875 MHz 5800 MHz

- Thứ hai là truyền thông tích cực sử dụng các diode lazer và các gương

chuyển động, các diode tại nơi phát được gắn trên bảng mạch, có thể chuyển động lái chùm sáng vào chính xác nơi nhận

Các ứng dụng đặc biệt đòi hỏi môi trường truyền dẫn phức tạp hơn Ví dụ, với các ứng dụng dưới đáy biển thì môi trường truyền dẫn là môi trường nước Do

đó phải sử dụng bức xạ bước sóng dài để đi xuyên trong nước Với các vùng khí hậu khắc nghiệt hay các vùng chiến sự, thì phải vượt qua được các sai lỗi và nhiễu lớn Ngoài ra, các antent của cảm biến thấp hơn và có công suất bức xạ nhỏ hơn các thiết bị vô tuyến khác Do đó, môi trường truyền thông phải được hỗ trợ bằng các phương thức điều chế và mã hóa chống lỗi phù hợp với đặc điểm từng loại kênh truyền

2.2 Sự tiêu thụ năng lượng

Nhiệm vụ chính của một nút cảm biến trong trường cảm biến là theo dõi các

sự kiện, xử lý nhanh số liệu cục bộ và truyền thông số liệu Công suất tiêu thụ bởi

ba thành phần chính: cảm biến, truyền thông và xử lý số liệu

2.2.1 Năng lượng cho nhiệm vụ cảm biến

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

2.2.2 Năng lượng cho truyền thông

Trong ba thành phần nêu trên trong một nút cảm biến, phần truyền thông số liệu tiêu thụ năng lượng nhiều nhất, bao gồm cả phát và thu số liệu Đặc điểm truyền thông trong mạng cảm biến là phạm vi ngắn và công suất bức xạ thấp, tiêu hao năng lượng cho việc phát và thu là gần như nhau Trong mạch thu phát, các bộ

trộn, các bộ tổng hợp tần số, các bộ dao động điều khiển bằng điện áp, các vòng khóa pha (PLL) và các bộ khuếch đại công suất tiêu thụ công suất đáng kể Điều quan trọng là tính toán này không chỉ quan tâm đến công suất tích cực mà còn xem xét đến tiêu thụ công suất khởi phát trở nên đáng kể Giá trị cao của thời gian khởi phát được cho là do thời gian khóa của vòng khóa pha (PLL) Khi kích cỡ gói tin truyền giảm nhỏ thì công suất khởi phát sẽ chiếm ưu thế so với công suất tích cực Kết quả là việc chuyển trạng thái (thu, phát) giữa ON và OFF không hiệu quả vì sẽ tiêu thụ một lượng năng lượng lớn mỗi lần chuyển trạng thái về ON

Công suất tiêu thụ được tính như sau:

P N  P T  T  P T   N  P R  R  (2.1) Trong đó, P T R/ là công suất tiêu thụ bởi bộ phát/bộ thu, POUT là công suất đầu ra của bộ phát, T ON /R ON là khoảng thời gian phát/thu trạng trái ON, T ST /R ST

là khoảng thời gian khởi phát tại mạch phát/thu, N T / N R là số lần mạch phát/thu chuyển sang ON trong một đơn vị thời gian, phụ thuộc vào nhiệm vụ và phương án điều khiển truy nhập môi trường

Năng lượng cho xử lý

Năng lượng tiêu thụ cho xử lý số liệu nhỏ hơn nhiều so với năng lượng dành cho truyền thông số liệu Do ảnh hưởng của chức năng và do sự suy giảm đường truyền theo khoảng cách nút cảm biến nên công suất tiêu thụ của bộ thu phát lớn khi khoảng cách truyền thông tăng Trong khi đó, bộ xử lý thường không phức tạp và tốc độ không cao nên tiêu thụ công suất nhỏ

Một nút cảm biến phải có khả năng tính toán và tương tác với môi trường xung quanh Giới hạn về chi phí và kích thước dẫn đến sự lựa chọn công nghệ bán dẫn oxit kim loại (CMOS) cho bộ vi xử lý Tuy nhiên, công nghệ này lại bị hạn chế về hiệu quả năng lượng

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

2.3 Các giải pháp tiết kiệm năng lượng

 Hiệu suất năng lượng luôn là yếu tố quan trọng

 Hầu hết các mạng cảm biến là số liệu tập trung

 Việc tập hợp số liệu chỉ được thực thi khi nó không cản trở hoạt động hợp tác của các nút cảm biến

 Một mạng cảm biến lý tưởng phải nhận biết việc đánh địa chỉ thuộc tính cơ

sở và vị trí

Hình 2.1: Hiệu quả năng lượng trong định tuyến

- Các phương pháp định tuyến tối ưu về năng lượng

Các phương pháp được sử dụng để chọn tuyến đường có hiệu suất năng lượng cao nêu dưới dây được diễn tả trên hình 2.1 Trong đó, T là nút nguồn cảm biến hiện tượng mục tiêu Nó có bốn đường có thể liên lạc với bộ phận thu nhận (Sink) Theo các tiêu chí khác nhau, có bốn phương pháp chọn đường có hiệu quả cao nhất về năng lượng

Đường tổng mức năng lượng nguồn nuôi hiện tại (PA: Power available) cực đại: là đường có tổng mức năng lượng nguồn nuôi hiện tại của nút liên quan lớn

nhất PA tổng được tính bằng tổng PA của mỗi nút dọc theo đường Theo phương pháp này, đường 2 được lựa chọn Tuy nhiên, đường 2 lại bao gồm những nút trong đường 1 và một nút mở rộng Vì thế, dù có PA tổng cao hơn nhưng nó không phải

là đường có hiệu suất năng lượng cao nhất Như vậy, những đường nhận được từ việc mở rộng các đường có thể kết nối cảm biến tới Sink sẽ không được tính Loại trừ đường 2, đường 4 là đường có hiệu suất năng lượng cao nhất khi sử dụng phương pháp PA tối đa

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

tiêu thụ cực tiểu khi truyền một gói số liệu giữa nút Sink và nút cảm biến được gọi

là đường MR Như vậy, đường ME là đường có tổng các 𝑎 nhỏ nhất Trong ví dụ này, đường 1 là đường ME

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

kết từ nút cảm biến nguồn tới nút Sink là nhỏ nhất Đường 3 trong ví dụ này là đường có hiệu suất cao nhất theo tiêu chí này Lưu ý rằng phương pháp ME sẽ chọn

ra đường tương tự như phương pháp MH khi năng lượng tiêu thụ cho việc truyền một gói tin ở tất cả các liên kết đều như nhau, tức là tất cả 𝑎 ở mọi liên kết đều bằng nhau Vì thế, khi các nút phát quảng bá với cùng mức năng lượng mà không có bất

kì sự điều khiển năng lượng nào, MH là tương đương với ME

Đường có PA cực tiểu lớn nhất (Maximum minimum PA route): là đường mà

dọc theo nó, PA cực tiểu lớn hơn các PA cực tiểu của các đường khác Theo tiêu chí này đường 3 là đường có hiệu suất năng lượng cực đại và đường 1 là đường có hiệu suất lớn thứ hai Phương pháp này ngăn ngừa việc sử dụng các nút cảm biến có PA thấp sớm trong khi có thể sử dụng các nút khác có PA cao hơn Như thế có thể tránh được hiện tượng một số nút bị cạn nguồn năng lượng sớm làm ảnh hưởng đến hoạt động toàn mạng

- Phương pháp định tuyến số liệu tập trung

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

Có hai phương pháp được sử dụng để phổ biến yêu cầu là: nút Sink phổ biến nội dung được quan tâm tới các nút cảm biến cần thiết và các nút cảm biến phát quảng

bá một quảng cáo cho số liệu có sẵn và đợi yêu cầu từ các nút Sink có nhu cầu về các số liệu này

Định tuyến số liệu tập trung yêu cầu phải đặt tên thuộc tính cơ sở Nguyên nhân cần phải đặt tên thuộc tính cơ sở là người sử dụng thường quan tâm tới truy vấn thuộc tính của hiện tượng hơn là truy vấn tới một nút riêng lẻ Ví dụ: “Những khu vực nơi có nhiệt độ cao hơn 40 độ C” là truy vấn được sử dụng thường xuyên hơn là “Nhiệt độ được đọc bởi nút nào đó”.Việc đặt tên thuộc tính cơ sở được sử dụng để truy vấn về các thuộc tính của hiện tượng Với việc đặt tên thuộc tính cơ

sở, các phương thức phát quảng bá, phát đến một nhóm theo thuộc tính cơ sở, phát theo địa lý, phát bất kỳ trở nên quan trọng đối với mạng cảm biến

Hình 2.2: Ví dụ về tập hợp số liệu

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

đề trùng lặp và chồng chéo trong định tuyến số liệu tập trung Trong kĩ thuật này, một mạng cảm biến được mô tả với cấu trúc cây phát đa điểm đảo ngược như trong (hình 2.3)

Bộ thu nhận (Sink) yêu cầu các nút cảm biến báo cáo về trạng thái xung quanh hiện tượng Số liệu từ nhiều nút cảm biến được tập hợp lại khi chúng tới cùng một nút trên đường đến nút Sink nếu chúng cùng chỉ về một thuộc tính của hiện tượng Trong ví dụ trên, nút cảm biến E tập hợp số liệu từ các nút cảm biến A và B Trong khi đó, nút cảm biến F được tập hợp số liệu từ các nút cảm biến C và D Việc tập hợp số liệu có thể được hiểu như là một nhóm các phương pháp tự động kết hợp số liệu tới từ nhiều nút cảm biến thành một tập thông tin có nghĩa Về mặt này, việc tập hợp số liệu được xem như là hợp nhất số liệu Ngoài ra, sự cẩn trọng là rất cần thiết khi tập hợp số liệu bởi các đặc trưng của số liệu, như vị trí của những nút cảm biến báo cáo, không cho phép được bỏ sót Những đặc trưng như vậy có thể rất cần thiết cho một ứng dụng nào đó

2.3.2 Các giao thức lớp mạng khác được đề xuất cho mạng cảm biến

Mạng truyền thông với năng lượng cực tiểu loại nhỏ (SMECN: Small Minimum Energy Commumication Network): Giao thức MECN được phát triển

để tính toán một mạng con có hiệu suất năng lượng cao trong một mạng truyền thông nhất định Một thuật toán mới được gọi là SMECN được đề xuất cũng nhằm

cung cấp một mạng con như vậy Mạng con, tức là một lược đồ con, được cấu trúc bởi SMECN nhỏ hơn mạng con được cấu trúc bởi MECN nếu cùng phát quảng bá

là hình tròn với công suất nhất định Lược đồ con G của lược đồ G’, mô tả mạng cảm biến, tối thiểu năng lượng sử dụng với các điều kiện sau: số cạnh trong lược đồ

con G nhỏ hơn trong lược đồ G’ gồm tất cả nút trong G’, nếu hai nút u và v được

kết nối trong G’, chúng cũng được kết nối trong G, năng lượng cần thiết để truyền

số liệu từ nút u tới tất cả các nút lân cận trong lược đồ con G nhỏ hơn năng lượng

cần thiết để truyền số liệu tới tất cả các nút lân cận trong G’

Giao thức tràn (Fooding): Thuật tràn là một kỹ thuật cũ có thể cũng được

sử dụng để định tuyến trong mạng cảm biến Trong thuật tràn, mỗi nút đang nhận gói số liệu hoặc một gói điều khiển lặp lại nó bằng cách phát quảng bá, trừ khi gói này đã đạt được số bước nhảy cực đại cho phép hoặc gói đã tới đích Thuật tràn là một kỹ thuật phản ứng và nó không cần duy trì kiến trúc mạng đắt tiền và thuật toán tìm đường phức tạp Tuy nhiên nó có một vài hạn chế như sau:

 Sự trùng lặp (Implosion): Trùng lặp là một trạng thái mà các bản sao của

gói tin được gửi tới cùng một nút Ví dụ, nếu một nút cảm biến A có N nút cảm biến lân cận mà đó cũng là những nút lân cận của nút cảm biến B, nút cảm biến B nhận N bản sao của bản tin được gửi đi bởi nút cảm biến A

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

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

 Sự mù tài nguyên (Resource Blindness): Giao thức tràn không đưa vào báo

cáo các tài nguyên năng lượng hiện tại Một giao thức nhận biết được tài nguyên năng lượng phải đưa vào báo cáo mức năng lượng của các nút tại mọi thời điểm

Giao thức dây truyền (Gossiping):Với giao thức dây truyền, các nút không

phát quảng bá mà gửi đi những gói tới một nút lân cận được chọn ngẫu nhiên Một nút cảm biến lựa chọn ngẫu nhiên một trong các nút lân cận để gửi số liệu Khi nút lân cận đó nhận được số liệu, nó lại lựa chọn ngẫu nhiên một nút cảm biến khác