Nghiên cứu một số thuật giải định tuyến giảm thiểu tiêu thụ năng lượng trong mạng cảm biến không dây-WSN : Luận văn ThS. Kỹ thuật điện tử - viễn thông: 60 52 70

Mạng cảm biến được nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều lĩnh vực như: y tế, kinh doanh, môi trường, quân sự…Mặc dù vậy, mạng cảm ứng không dây đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức và m

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS VƯƠNG ĐẠO VY

HÀ NỘI – 2014

1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung của luận văn “Nghiên cứu một số giải thuật định tuyến giảm thiểu tiêu thụ năng lượng trong mạng cảm biến không dây-WSN” là sản

phẩm do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS.Vương Đạo Vy Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những điều được trình bày hoặc là của cá nhân hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng

2

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các các thầy cô giáo trong Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã giúp đỡ tận tình và chu đáo để tôi có môi trường tốt học tập và nghiên cứu

Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS Vương Đạo

Vy người trực tiếp đã hướng dẫn, chỉ bảo tôi tận tình trong suốt quá trình nghiên cứu

và hoàn thiện luận văn này

Một lần nữa tôi xin được gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi trong thời gian vừa qua Tôi xin kính chúc các thầy cô giáo, các anh chị và các bạn mạnh khỏe và hạnh phúc

Hà Nội, ngày 09 tháng 10 năm 2014

TÁC GIẢ

Đỗ Mạnh Dương

3

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 7

MỞ ĐẦU 8

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 9

1.1 Giới thiệu 9

1.2 Cấu trúc mạng WSN 10

1.3 Kiến trúc giao thức WSN 15

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến mạng WSN 17

1.5 Ứng dụng của mạng WSN 19

Chương 2 ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 22

2.1 Giới thiệu 22

2.2 Những khó khăn và thách thức trong vấn đề định tuyến 22

2.2.1 Tính động của mạng 22

2.2.2 Sự triển khai các nút 23

2.2.3 Tính đến năng lượng 23

2.2.4 Phương pháp báo cáo số liệu 23

2.2.5 Khả năng của các nút 23

2.2.6 Tập trung dữ liệu 24

2.3 Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến 24

2.4 Các loại giao thức định tuyến trong mạng WSN 25

2.4.1 Giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu 25

4

2.4.2 Giao thức phân cấp 30

2.4.3 Giao thức dựa trên vị trí 33

Chương 3 MỘT SỐ THUẬT GIẢI ĐỊNH TUYẾN GIẢM THIỂU TIÊU THỤ NĂNG LƯỢNG 3.1 ETX Metric 37

3.1.1 Giới thiệu về ETX 37

3.1.2 Tính chất của ETX Metric 38

3.2 Định tuyến chuyển tiếp phân tập 40

3.2.1 Giới thiệu về định tuyến chuyển tiếp phân tập 40

3.2.2 Đặc tính của định tuyến chuyển tiếp phân tập 42

3.3 Bài toán thực tế và vận dụng các giải thuật được mô tả để thu được hiệu quả năng lượng và độ tin cậy 45

3.3.1 Vận dụng định tuyến ETX 45

3.3.2 Vận dụng định tuyến chuyển tiếp phân tập 46

KẾT LUẬN 49

Tài liệu tham khảo 50

5

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

TDMA Time Divistion Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời

Routing

Định tuyến theo vùng địa lý sử dụng hiệu quả năng lƣợng

DS - SS Directed-Sequence-Spread

6

Advertisement

Quảng bá dữ liệu và chỉ định nhiệm vụ

SQDDP Sensor Query & Data

Dissemination

Phân phối dữ liệu và truy vấn cảm biến

7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Biểu tượng của mạng cảm biến 9

Hình 1.2 Các thành phần của một nút 10

Hình 1.3 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 12

Hình 1.4 Cấu trúc phẳng 12

Hình 1.5 Cấu trúc phân cấp 13

Hình 1.6 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp 14

Hình 1.7 Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến 15

Hình 1.8 Gán nút cảm biến lên cơ thể người 19

Hình 1.9 Cảnh báo cháy rừng 20

Hình 1.10 Ứng dụng mạng cảm biến trong quân đội 20

Hình 1.11 Ứng dụng trong giao thông 21

Hình 2.1 Phân loại giao thức chọn đường trong WSN 24

Hình 2.2 Hiện tượng bản tin kép 26

Hình 2.3 Hiện tượng chồng chéo 26

Hình 2.4 Ba tín hiệu bắt tay của SPIN 27

Hình 2.5 Hoạt động của SPIN 28

Hình 2.6 Hoạt động cơ bản của giao thức Directed Diffusion 30

Hình 2.7 Mô hình mạng LEACH 31

Hình 2.8Ví dụ về lưới ảo trong GAF 34

Hình 2.9 Sự chuyển trạng thái trong GAF 34

Hình 2.10 Chuyển tiếp địa lý đệ quy trong GEAR 36

Hình 3.1 Hiệu quả thông lượng thông qua các cách truyền khác nhau 37

Hình 3.2 Ví dụ về con đường ETX tối ưu 39

Hình 3.3 Ví dụ về định tuyến truyền thống và chuyển tiếp phân tập 41

Hình 3.4 Định tuyến qua hai chuyển tiếp 42

Hình 3.5 Mạng hai bước nhảy 43

Hình 3.6 Bài toán vận dụng giải thuật ETX 45

Hình 3.7 Bài toán vận dụng định tuyến chuyển tiếp phân tập 47

8

MỞ ĐẦU

Từ những thành quả của truyền thông vô tuyến trong những năm gần đây, mạng cảm biến không dây (WSN) với giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng nên rất được chú ý và phát triển trong những năm gần đây Trong tương lai không xa mạng cảm biến sẽ là một phần không thể thiếu trong cuộc sống Mạng cảm biến được nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều lĩnh vực như: y tế, kinh doanh, môi trường, quân sự…Mặc dù vậy, mạng cảm ứng không dây đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức và một trong những thách thức lớn nhất trong mạng cảm ứng không dây là nguồn năng lượng bị giới hạn Có rất nhiều công trình nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến

Luận văn nghiên cứu tổng quan về mạng cảm biến, về định tuyến trong mạng cảm biến, đi sâu vào hai thuật giải định tuyến cụ thể và vận dụng giải một số bài toán giả định trong thực tiễn

Nội dung luận văn được chia thành ba (03) chương như sau:

Chương I Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Chương II Định tuyến trong mạng cảm biến không dây

Chương III Một số giải thuật định tuyến giảm thiểu tiêu thụ năng lượng trong mạng cảm biến không dây Vận dụng giải một số bài toán giả định trong thực tiễn thu được hiệu quả năng lượng

Mặc dù đã rất cố gắng trong quá trình nghiên cứu, do thiếu về tài liệu và hiểu biết nên luận văn còn nhiếu thiếu sót Tác giả mong các thầy cô đóng góp, cho ý kiến

để luận văn được hoàn thiện hơn

9

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN

Chương này giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây bao gồm: Định nghĩa về mạng cảm biến không dây, cấu trúc một nút mạng cơ bản, cấu trúc mạng cảm biến không dây, ứng dụng của mạng cảm biến không dây và một số thách thức mà mạng cảm biến gặp phải

1.1 Giới thiệu

Mạng cảm biến không dây là một trong những công nghệ mới mà phát triển rất nhanh chóng với nhiều ứng dụng như: Ứng dụng trong công nghiệp, quân sự, y tế, môi trường…Mạng cảm biến không dây (WSN) là mạng liên kết các nút cùng với nhau nhờ sóng vô tuyến Mỗi nút mạng gồm đầy đủ các chức năng như cảm nhận, thu thập,

xử lý, truyền dữ liệu Mạng cảm biến không dây có một số lượng lớn các nút, phân bố rộng với giá thành rẻ và sử dụng nguồn năng lượng hạn chế thường là Pin Vậy ta có thể hiểu mạng cảm biến không dây là mạng được triển khai trên một diện rộng với số lượng lớn các thiết bị có kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp, có nguồn năng lượng hạn chế, có khả năng tính toán cảm nhận và thông tin liên lạc với các nút mạng khác nhằm mục đích phát hiện, giám sát, điều khiển trong một ứng dụng nhất đinh Chính vì sự phân bố rộng và nguồn năng lượng hạn chế như vậy cũng đặt ra nhiều thách thức để tìm ra những giải pháp để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng trong mạng

Hình 1.1: Biểu tượng của mạng cảm biến

Hình 1.2: Các thành phần của một nút

Đơn vị cảm ứng (Sensing Units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) Nhiệm vụ của Sensing Units là dựa trên những hiện tượng quan sát được Sensing Units sẽ tạo ra tín hiệu tương tự và được chuyển sang tín hiệu số bằng chuyển đổi ADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý Bộ xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (Storage Unit), quyết định các thủ tục cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ đã được lập trình sẵn Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng Chúng gửi và nhận các dữ liệu thu được từ chính nó hoặc các nút lân cận tới các nút khác hoặc tới sink Hầu hết các kĩ thuật định tuyến đều yêu cầu có độ chính xác cao về

vị trí địa lý Vì vậy trong cấu trúc của nút mạng cần phải có các bộ định vị Phần quan

11

trọng nhất của một nút mạng cảm ứng là bộ nguồn Bộ nguồn có thể là một số loại Pin

Để các nút có thời gian sống lâu thì bộ nguồn rất quan trọng, nó phải có khả năng nạp điện từ môi trường như là năng lượng ánh sáng mặt trời

1.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây

Để đạt được mục tiêu hiệu quả trong mục đích sử dụng, hiệu quả kinh tế, hiệu quả trong sử dụng năng lượng, cấu trúc mạng cảm biến không dây phải được thiết kế với những đặc điểm sau đây:

+ Giao tiếp không dây Multihop (Đa bước nhảy): Đặc điểm của mạng là dùng giao tiếp không dây, khi đó giao tiếp trực tiếp giữa hai nút sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hay các vật cản, nhiễu đường truyền Đặc biệt là khi nút phát và nút thu

ở khoảng cách xa nhau thì cần phải phát với công suất lớn gây nên mạng rất mau hết năng lượng dừng hoạt động Do đó cần các nút trung gian làm nút chuyển tiếp để giảm công suất tiêu thụ tổng thể, kéo dài thời gian sống Do vậy các mạng cảm biến không dây cần phải dùng giao tiếp Multihop và các định tuyến kéo theo là vấn đề then chốt trong mạng

+ Tính hiệu quả năng lượng: Để một mạng có thể hoạt động trong thời gian dài, tính hiệu quả năng lượng là kĩ thuật quan trọng mạng cảm biến không dây Do đó các định tuyến hiệu quả năng lượng cũng là các kỹ thuật then chốt của mạng cảm biến không dây

+ Tự động cấu hình: Do số lượng các nút trong mạng cảm biến là rất lớn và phân bố trên một vùng rộng lớn gây nên việc cấu hình bằng tay sẽ gây rất nhiều khó khăn Do đó các nút trong mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông số một cách tự động Ví dụ như các nút có thể xác định vị trí của nó thông qua các nút lân cận (gọi là tự định vị), thông qua vị trí tương đối của nó so với nút lân cận trong mạng

+ Cộng tác xử lý, thu thập và tập trung dữ liệu trong mạng: Trong nhiều ứng dụng (Ví dụ nhiệt độ trung bình của một vùng) một nút cảm biến không thu thập đủ dữ liệu mà cần phải có nhiều nút cùng cộng tác hoạt động thì mới thu thập đủ dữ liệu Do vậy khi nhiều nút thu thập dữ liệu và từng nút đó gửi ngay đến Sink thì sẽ rất tốn băng thông và năng lượng Và như vậy cần phải có cơ chế kết hợp các dữ liệu của nhiều nút trong một vùng rồi mới gửi tới Sink thì sẽ tiết kiệm băng thông và năng lượng Đôi khi cũng có thể xử

Hình 1.3: Cấu trúc mạng cảm biến không dây

1.2.3 Hai cấu trúc đặc trƣng của mạng cảm biến không dây

1.2.3.1 Cấu trúc phẳng (Flat Architecture)

Hình 1.4 Cấu trúc phẳng

Đây là cấu trúc đơn giản nhất trong mạng cảm biến Trong cấu này, tất cả các nút trong mạng đều ngang hàng và đồng nhất trong hình dạng và giống nhau về chức năng Các nút giao tiếp với Sink qua Multihop sử dụng các nút ngang hàng làm bộ

13

chuyển tiếp Với phạm vi truyền cố định, các nút gần trạm cơ sở hơn sẽ đảm bảo vai trò là bộ chuyển tiếp đối với một lượng lớn nguồn tiêu thụ

1.2.3.2 Cấu trúc phân cấp (Tiered Architecture)

Trong cấu trúc này, các cụm được tạo ra giúp các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu Single hop (Đơn bước nhảy) hay Multihop (Đa bước nhảy) tùy thuộc vào kích thước của cụm đến nút định sẵn, thường là nút chủ (Cluster Head) Các nút tạo thành một hệ thống phân cấp mà ở đó mỗi nút ở một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã được định trước

Hình 1.5 Cấu trúc phân cấp

Trong cấu trúc phân cấp thì chức năng không đồng đều giữa các nút Những chức năng này có thể phân chia theo cấp, cấp thấp nhất thực hiện các nhiệm vụ cảm nhận môi trường xung quanh, cấp giữa thực hiện tính toán xử lý số liệu và cấp trên cùng phân phối truyền dữ liệu Các nhiệm vụ xác định có thể được phân chia không đồng đều giữa các lớp, trong đó mỗi cấp có thể thực hiện một nhiệm vụ xác định Khi

đó, các cảm biến ở cấp thấp nhất có vai trò như bộ lọc thông dải đơn giản để tách nhiễu khỏi tín hiệu, trong đó các nút ở cấp cao hơn sẽ không lọc dữ liệu này mà thực hiện các chức năng như tính toán, phân phối, truyền dữ liệu

14

Hình 1.6 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp

Mạng cảm biến không dây xây dựng theo cấu trúc phân cấp được đánh giá là hoạt động hiệu quả hơn mạng cấu trúc phẳng Sau đây là những lý do để minh chứng cho điều đó:

+ Thứ nhất: Cấu trúc phân cấp có thể giảm chi bằng việc định vị các tài nguyên ở

vị trí mà chúng hoạt động phù hợp nhất Vì số lượng các nút cần thiết phụ thuộc vào vùng phủ sóng nhất định, chi phí của tổng thể mạng vì thế sẽ không cao Hơn nữa, khi

số lượng lớn các nút có chi phí thấp được chỉ định để phân tích dữ liệu, đồng bộ và định vị thì chi phí toàn mạng sẽ giảm xuống

+ Thứ hai: Mạng cảm biến có cấu trúc phân cấp sẽ có tuổi thọ cao hơn mạng cấu trúc phẳng Nguyên nhân là khi cần tính toán nhiều thì bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn,tùy thuộc vào thời gian yêu cầu thực hiện tính toán Và với các nhiệm vụ cảm nhận cần hoạt động trong khoảng thời gian dài thì các nút tiêu thụ ít năng lượng sẽ hoạt động hiệu quả hơn Bởi vậy với cấu trúc phân cấp các chức năng mạng được phân chia, được thiết kế riêng cho từng chức năng sẽ giúp tăng thời gian sống của toàn mạng

+ Thứ ba: 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 node trong

mạng có n nút bằng:

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

kích thước mạng tăng lên thì thông lượng của mỗi nút sẽ giảm về 0 Trong mạng cấu

15

trúc phân có nhiều triển vọng để khắc phục vấn đề này Một phương pháp tiếp cận là dùng một kênh đơn lẻ trong cấu trúc phân cấp, ở 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, trong cấp này đảm bảo việc giao tiếp trong cụm 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 Trong đó W là độ rộng băng tần của kênh chia sẻ 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 này, dung lượng của mỗi lớp trong mạng có cấu trúc phân cấp và dung lượng của mỗi cụm trong mỗi tầng xác định là độc lập với nhau

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

1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây

Trong mạng cảm biến không dây, dữ liệu sau khi được thu thập bởi các nút sẽ được định tuyến gửi đến Sink Sink sẽ gửi dữ liệu đến người dùng đầu cuối (EU) thông qua Internet hay vệ tinh

16

Hình 1.7: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến

Kiến trúc giao thức này là sự kết hợp giữa công suất và chọn đường, kết hợp số liệu với các giao thức mạng, sử dụng công suất hiệu quả với môi trường không dây và

sự tương tác giữa các nút cảm biến Kiến trúc giao thức bao gồm: Lớp vật lý, lớp liên kết dữ liệu, lớp mạng, lớp truyền tải, lớp ứng dụng, tầng quản lý công suất, tầng quản

lý di động và tầng quản lý nhiệm vụ

- Lớp ứng dụng : Tùy vào từng nhiệm vụ của mạng cảm biến mà các phần mềm với các ứng dụng khác nhau được thiết kế và sử dụng trong lớp ứng dụng Một số giao thức quan trọng được sử dụng trong lớp ứng dụng như giao thức quản lí mạng cảm biến SMP (Sensor Management Protocol), giao thức quảng bá dữ liệu và chỉ định nhiệm vụ cho từng sensor TADAP (Task Assignment & Data Advertisement), giao thức phân phối dữ liệu và truy vấn cảm biến SQDDP (Sensor Query & Data Dissemination)

- Lớp truyền tải: Trong lớp này giúp duy trì luồng số liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu Lớp truyền tải sẽ cần khi mạng cảm biến kết nối với mạng bên ngoài, hay kết nối với người dùng qua internet Giao thức lớp vận chuyển giữa Sink với người dùng (Task Manager Node) có thể là giao thức gói người dùng UDP (User Datagram Protocol) hay giao thức điều khiển truyền tải TCP (Transmission Control Protocol) thông qua internet hoặc vệ tinh Còn giao tiếp giữa Sink và các nút cảm biến cần các giao thức kiểu như UDP vì các nút cảm biến có kích thước bộ nhớ bị hạn chế Và hơn nữa các giao thức này còn tính đến sự tiêu thụ công suất, tính mở rộng và định tuyến tập trung dữ liệu

- Lớp mạng: Lớp này liên quan đến việc định tuyến dữ liệu được cung cấp bởi lớp

truyền tải Việc định tuyến trong mạng cảm biến phải đối mặt với rất nhiều thách thức như mật độ các nút dày đặc, hạn chế về năng lượng…Do vậy thiết kế lớp mạng trong mạng cảm biến phải theo các nguyên tắc sau:

+ Hiệu quả về năng lượng luôn được xem là vấn đề then chốt

+ Các mạng cảm biến phải là tập trung dữ liệu

+ Chúng tích hợp dữ liệu và giao thức mạng

+ Có cơ chế địa chỉ theo thuộc tính và biết về vị trí

Có rất nhiều giao thức định tuyến được thiết kế cho mạng cảm biến không dây

Và cũng có các cách khác nhau để phân loại giao thức định tuyến Theo cách dựa vào

17

cấu trúc mạng, chúng được chia thành ba loại: Thứ nhất là định tuyến ngang hàng, thứ hai là định tuyến phân cấp, thư ba là định tuyến dựa theo vị trí Theo hoạt động thì chúng được chia thành định tuyến dựa đa đường MB (Multipath-Based), định tuyến dựa theo truy vấn QB (Query- Based), định tuyến dựa theo thỏa thuận NB (Negotiation-Based), định tuyến kết hợp CB (Coherent-Based) và định tuyến dựa theo chất lượng dịch vụ QoS(Quanlity of Service)

- Lớp vật lý: Lớp này có nhiệm vụ lựa chọn tần số, phát tần số sóng mang, điều chế, lập mã và tách sóng

- Lớp kết nối dữ liệu: Lớp này có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu, dò khung

dữ liệu, điều khiển lỗi và truy nhập môi trường

- Phần quản lý di động: Phần này có nhiệm vụ phát hiện và ghi lại sự dịch chuyển của các nút cảm biến để duy trì tuyến tới người sử dụng và các nút cảm biến Nhờ việc xác định được các nút cảm biến lân cận, các nút cảm biến có thể cân bằng giữa công suất của nó và nhiệm vụ thực hiện

- Phần quản lý công suất: Phần này điều khiển việc sử dụng công suất của nút cảm biến

- Phần quản lý nhiệm vụ: Phần này có thể lên kế hoạch các nhiệm vụ cảm biến trong một vùng xác định Không phải tất cả các nút cảm biến trong vùng đó điều phải thực hiện nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời điểm mà tuỳ theo thời điểm và mức công suất của nó

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến mạng cảm biến không dây WSN

a,Thời gian sống của nút mạng

Các nút mạng cảm biến có nguồn năng lượng Pin giới hạn Thông thường một loại pin kiềm có 50 đến 100Wh năng lượng, nó có thể dùng cho mỗi nút mạng hoạt động gần 1 đến 2 tháng Do sự khó khăn như vậy thì thời gian sống dài hơn rất được quan tâm trong thiết kế mạng cảm biến Trong thực tế, Pin rất cần thiết trong rất nhiều ứng dụng để bảo đảm mạng cảm biến WSN có thể tự động sử dụng mà không cần thay thế trong vài năm hoạt động Những nghiên cứu cải thiện phần cứng trong thiết kế Pin

và kĩ thuật thu năng lượng hợp lý sẽ giúp thu được kết quả trong việc tiết kiệm Pin

b, Sự đáp ứng của mạng cảm biến

Trong thiết kế mạng cảm biến, giải pháp đơn giản nhất để kéo dài thời gian sống là điều khiển các nút trong một chu kì làm việc với chu kì chuyển giữa 2 chế độ:

c, Tính chất mạnh của mạng cảm biến (Robustness)

Đặc điểm của mạng cảm biến WSN triển khai ở phạm vi rộng lớn, có độ bao phủ chính xác Đặc điểm đó có được do giá thành của mỗi nút mạng là không đắt tiền Tuy nhiên các thiết bị rẻ thường độ tin cậy kém cũng như hoạt động có thể gây ra lỗi

Và đặc biệt đặc điểm đó rẽ rất rõ khi các nút mạng được đặt trong môi trường khắc nhiệt về thời tiết Do đó giao thức hoạt động cũng phải được thiết kế để có thể đáp ứng tốt với các điều kiện đó

d, Tính không đồng nhất của mạng cảm biến (Heterogeneity)

Tồn tại sự không đồng nhất trong dung năng của thiết bị trong quá trình cài đặt thực tế Cụ thể có thể là máy móc, thông tin dữ liệu và cũng có thể là cảm biến Và sự không đồng nhất sẽ có ảnh hưởng quan trọng đến thiết kế Do đó khi thiết kế mạng WSN rất chú ý đến vấn đề này

g, Cách biệt và bảo mật của mạng WSN

Phạm vi hoạt động của mạng là rất lớn.Và độ nhạy của thông tin thu được bởi WSN với mục đích cuối cùng là: Bảo đảm sự cách biệt và bảo mật

h, Tự tối ưu và tự thích nghi của mạng WSN

19

Trong mạng WSN, có những tín hiệu không chắc chắn về điều kiện hoạt động trước khi triển khai Do đó, việc xây thiết bị để có thể tự học từ sensor và thu thập các phép đo mạng, sử dụng những cái học được để tiếp tục hoạt động và cải tiến rất quan trọng

1.5 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây WSN

Nhờ đặc tính linh hoạt, giá thành rẻ mà mạng cảm biến được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau từ khoa học nghiên cứu đến đời sống thực tế Sau đây là một

số ứng dụng cơ bản của mạng cảm biến WSN:

a, Ứng dụng trong y học:

Trong Y học, các nút cảm biến theo hướng phát triển ngày càng nhỏ gọn và thông minh hơn Bởi vậy trong tương lai gần, các nút cảm biến có thể đủ nhỏ, đủ tin cậy để gắn lên cơ thể người giúp giám sát và cảnh báo các nguy cơ bệnh tật nhờ đó có thể phát hiện sớm và chữa bệnh dễ dàng hơn

Hình 1.8: Gán nút cảm biến lên cơ thể ng

20

b, Ứng dụng trong môi trường:

Trong ứng dụng của mạng cảm biến với môi trường có phát hiện cháy rừng Trong ứng dụng này mạng cảm biến không dây được triển khai ngay tại rừng, mỗi nút mạng sẽ thu thập các thông tin cần thiết như nhiệt độ, khói, độ ẩm sau đó gửi về trung tâm giám sát, phân tích và phát hiện cháy Nhờ đó sẽ giúp sớm phát hiện và ngăn chặn các thảm họa do cháy rừng gây ra Ngoài ra còn có các ứng dụng khác như cảnh báo lũ lụt, giám sát và cảnh báo động đất, song thần và các thiên tai khác…

Hình 1.9: Cảnh báo cháy rừng

c, Trong quân sự:

Trong ứng dụng cho quân sự các mạng cảm biến có vai trò quan trọng như giám sát quân đội, giám sát các trang thiết bị, vũ khí, thăm dò, khảo sát đối phương, tấn công bằng vũ khí công nghệ cao, kích hoạt điều khiển vũ khí…

Hình 1.10 Ứng dụng mạng cảm biến trong quân đội

21

d, Ứng dụng trong giao thông:

Hệ thống định vị phương tiện, trợ giúp điều khiển tự động phương tiện giao thông Hệ thống điều tiết lưu thông công cộng, hệ thống báo hiệu tai nạn, kẹt xe,…

Hình 1.11: Ứng dụng trong giao thông

e, Các ứng dụng khác:

Ngoài những ứng dụng trên thì mạng WSN còn rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác như: Trong cuộc sống hàng ngày, trong lĩnh vực công nghiệp, trong kinh doanh, trong lĩnh vực nông nghiệp…

22

CHƯƠNG II ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Chương này giới thiệu về giao thức định tuyến, những đặc điểm và thách thức của định tuyến Phần tiếp theo đi vào giới thiệu các loại giao thức thường được dùng trong mạng cảm biến đó là: Định tuyến trung tâm dữ liệu (Data centric protocol), định tuyến phân cấp (Hierarchical protocol) và cuối cùng là định tuyến dựa vào vị trí (Location-based protocol)

2.1 Giới thiệu

Cho dù mạng cảm biến có khá nhiều điểm tương đồng so với các mạng như adhoc, có dây, không dây nhưng chúng cũng có một số các đặc tính duy nhất mà tạo cho chúng tồn tại thành mạng riêng như:

(1) Hầu hết các ứng dụng của mạng các luồng dữ liệu cảm biến đều từ nhiều nguồn khác nhau cùng truyền về một sink xác định

(2) Trong mạng cảm biến không dây, số lượng các nút là rất lớn, nên ta không thể xây dựng loại địa chỉ toàn cầu cho việc triển khai các nút mạng cảm biến, vì thế không thể áp dụng giao thức dựa trên IP

(3) Lưu lượng thông tin truyền từ các nút cảm biến sẽ có lượng dư thừa đáng kể

vì có thể các cảm biến trong cùng một vùng lân cận có thể phát đi cùng một dữ liệu giống nhau Những thông tin dư thừa đó cần được xử lý sơ bộ bởi các giải thuật trước khi truyền đi giúp tăng hiệu quả sử dụng băng thông cũng như tiết kiệm năng lượng (4) Các nút cảm biến bị hạn chế bởi năng lượng truyền tải, năng lượng hoạt động, năng lượng cho quá trình xử lý và lưu trữ thông tin Bởi vậy nguồn năng lượng của các nút cần có chế độ quản lý chặt chẽ

2.2 Những khó khăn và thách thức trong định tuyến

2.2.1 Tính động của mạng

Thành phần cấu thành nên mạng cảm biến bao gồm: Các nút cảm ứng, nút Sink

và các sự kiện cần giám sát Trong mạng cảm biến hầu hết các nút cảm biến được thiết lập cố định Tuy nhiên trong một trường hợp các nút cảm biến có thể di chuyển

Do đó các bản tin định tuyến được lấy từ các nút di động hay được chuyển đến các nút

2.2.3 Tính đến năng lượng

Trong thiết kế mạng cảm biến không dây, định tuyến có liên quan chặt chẽ tới năng lượng Ta đã biết năng lượng truyền đi của sóng vô tuyến suy hao theo khoảng cách và đặc biệt suy hao mạnh trong môi trường có nhiều vật cản Khi đó định tuyến

đa bước nhảy (multihop) sẽ tiêu thụ ít năng lượng hơn là việc truyền trực tiếp Định

tuyến trực tiếp sẽ tốt hơn trong trường hợp tất cả các nút đều rất gần sink Nhưng đa

số các nút đều được rải ngẫu nhiên trong một vùng rộng, do vậy định tuyến đa bước nhảy hay được sử dụng hơn

2.2.4 Phương pháp báo cáo số liệu

Các phương pháp báo cáo số liệu: báo cáo theo thời gian, theo sự kiện, theo yêu cầu hoặc ghép lại các phương pháp này

Phương pháp báo cáo theo thời gian phù hợp với các ứng dụng trong đó yêu cầu quan sát số liệu theo chu kỳ Khi đó, bộ phận cảm biến và bộ phận phát theo chu

kỳ sẽ được bật để cảm nhận môi trường, truyền phát số liệu theo chu kỳ thời gian xác định

Phương pháp báo cáo theo sự kiện và theo yêu cầu, các nút cảm biến sẽ phản ứng tức thì đối với những thay đổi giá trị của cảm biến tương ứng với sự xuất hiện một

sự kiện xác định nào đó

2.2.5 Khả năng của các nút

Tùy thuộc vào từng ứng dụng khác nhau mà một nút có thể phải thực hiện các chức năng cụ thể như: truyền, cảm nhận và tập hợp dữ liệu Vì vậy việc kết hợp ba chức năng trong cùng một thời điểm có thể nhanh chóng làm tiêu hao năng lượng của

24

nút đó Do vậy phải thiết kế sao cho mỗi nút sẽ có chức năng riêng và việc các nút không đồng nhất kết hợp với nhau đã tạo ra nhiều vấn đề kĩ thuật liên quan đến định tuyến

2.2.6 Tập trung dữ liệu

Các nút cảm ứng có thể truyền một lượng đáng kể dữ liệu thừa, để giảm số lần truyền thì các gói tương tự nhau từ nhiều nút khác nhau phải được tập trung lại Tập trung dữ liệu là sự kết hợp các dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau bằng việc dùng các

thuật toán như nén (suppression) dữ liệu, lấy min (min) dữ liệu, lấy max (max) dữ liệu

và lấy trung bình (average) dữ liệu Các chức năng trên có thể được thực hiện một

phần hoặc toàn bộ trong mỗi một nút cảm ứng Việc tính toán như vậy sẽ giảm thiểu tiêu tốn năng lượng hơn, và quá trình tập hợp dữ liệu sẽ tiết kiệm được lượng năng lượng đáng kể Trong một số mạng, các nút có chức năng tập trung dữ liệu là các nút nhiều năng lượng và chuyên dụng

2.3 Phân loại các giao thức định tuyến trong WSN

Có nhiều cách phân loại các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến WSN Như ở trên đã đề cập có là cách chia giao thức định tuyến thành ba loại bao gồm: Định tuyến trung tâm dữ liệu, định tuyến phân cấp và cuối cùng là định tuyến dựa vào vị trí Hoặc còn có thể được chia thành định tuyến ngang hàng, định tuyến phân cấp và định tuyến dựa theo vị trí tương ứng với cấu trúc mạng Ngoài ra những giao thức này cũng

có thể được chia thành các giao thức định tuyến đa đường, yêu cầu hỏi/đáp, liên kết hoặc dựa vào chất lượng dịch vụ -QoS Tổng quát lại, có thể sử dụng phân loại theo cấu trúc mạng và cơ chế hoạt động của giao thức (tiêu chuẩn định tuyến) Phân loại các giao thức định tuyến trong WSN được chỉ ra trong hình bên dưới

Hình 2.1: Phân loại giao thức chọn đường trong WSN