Luận án nghiên cứu về giải pháp cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây đa sự kiện

Luận án nghiên cứu các giải pháp cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây đa sự kiện, tối ưu hóa truyền tải và giảm thiểu độ trễ.

• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Công Nghệ
• Chuyên ngành: Công Nghệ Thông Tin
• Đề tài: Cải Thiện Hiệu Năng Mạng Cảm Biến Không Dây Đa Sự Kiện
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ĐA SỰ KIỆN
• 1.2. Mạng lưới liên kết
• 1.3. Mô hình năng lượng
• 1.4. Định tuyến trong mạng cảm biến không dây
• 1.4.1. Phân loại định tuyến trong mạng cảm biến không dây
• 2. CHƯƠNG 2: CẢI THIỆN HIỆU NĂNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ĐA SỰ KIỆN SỬ DỤNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN LINH HOẠT
• 3. CHƯƠNG 3: CẢI THIỆN HIỆU NĂNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ĐA SỰ KIỆN SỬ DỤNG GIAO THỨC MAC ƯU TIÊN
• KẾT LUẬN

Tóm tắt

I. Tính cấp thiết của nghiên cứu

Mạng cảm biến không dây (WSN) đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong những năm gần đây. Sự phát triển của công nghệ không dây và vi cơ điện tử (MEMS) đã mở ra nhiều ứng dụng mới cho mạng cảm biến không dây trong các lĩnh vực như quân sự, giao thông, y tế và môi trường. Các cảm biến hiện nay không chỉ đơn thuần là thu thập dữ liệu mà còn phải xử lý và phân tích thông tin từ nhiều sự kiện khác nhau. Điều này đặt ra yêu cầu cao về hiệu năng mạng, đặc biệt là trong việc đáp ứng các yêu cầu về độ trễ, độ tin cậy và hiệu quả năng lượng. Nghiên cứu này nhằm cải thiện hiệu năng của mạng cảm biến không dây đa sự kiện, từ đó nâng cao khả năng phục vụ cho các ứng dụng thực tiễn.

II. Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận án là tìm kiếm và xây dựng các giải pháp nhằm cải thiện hiệu năng của mạng cảm biến không dây. Cụ thể, nghiên cứu sẽ tập trung vào việc giảm thời gian trễ truyền gói, tăng độ tin cậy và đảm bảo sử dụng năng lượng hiệu quả. Đối tượng nghiên cứu bao gồm các vấn đề liên quan đến kỹ thuật định tuyến đa đường linh hoạt và giao thức MAC ưu tiên trong mạng cảm biến không dây. Phạm vi nghiên cứu sẽ giới hạn trong các nút cảm biến có vị trí cố định và các sự kiện xuất hiện ngẫu nhiên trong mạng.

III. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận án bao gồm phân tích lý thuyết, phân tích giao thức và mô phỏng số. Nghiên cứu lý thuyết sẽ tập trung vào nguyên lý hoạt động của mạng cảm biến không dây và các giao thức định tuyến. Mô phỏng số sẽ được sử dụng để kiểm chứng các giải pháp đề xuất và so sánh với các phương pháp trước đây. Phương pháp này giúp đánh giá hiệu quả của các giải pháp cải thiện hiệu năng mạng trong các điều kiện thực tế.

IV. Các đóng góp của luận án

Luận án đã đề xuất hai giải pháp cải thiện hiệu năng cho mạng cảm biến không dây đa sự kiện. Giải pháp đầu tiên là giao thức định tuyến DRPDS, kết hợp định tuyến linh hoạt theo mức độ ưu tiên của sự kiện. Giải pháp thứ hai là giải thuật EARPM, cải tiến từ DRPDS, tập trung vào việc nhận thức năng lượng còn lại để nâng cao hiệu quả tiêu thụ năng lượng. Cả hai giải pháp đều được chứng minh là đáp ứng tốt các yêu cầu về độ tin cậy và thời gian trễ, đồng thời đảm bảo sử dụng năng lượng hiệu quả.

V. Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo

Luận án đã tóm tắt các kết quả nghiên cứu chính và nhấn mạnh tầm quan trọng của việc cải thiện hiệu năng cho mạng cảm biến không dây. Các giải pháp đề xuất không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn cao trong các lĩnh vực như nông nghiệp thông minh, y tế và quản lý môi trường. Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc mở rộng các giải pháp này để đáp ứng tốt hơn các yêu cầu đa dạng trong các ứng dụng thực tế.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks - WSN) giữ vai trò thành phần thiết yếu trong các hệ thống Internet vạn vật (IoT) và được ứng dụng trong các môi trường đặc thù như quân sự, giao thông, y tế, môi trường, công nông nghiệp. Các nút cảm biến thu thập thông tin vật lý/hóa học, chuyển đổi tín hiệu và truyền thông qua hạ tầng không dây về trung tâm (sink) để phục vụ giám sát, điều khiển.

Trong bối cảnh phát triển của các hệ thống giám sát đa nhiệm (như cảnh báo cháy rừng, giám sát công nghiệp hầm mỏ, nông nghiệp chính xác, nhà trẻ thông minh, theo dõi sức khỏe y tế), mạng cảm biến phải tiếp nhận và xử lý đồng thời nhiều sự kiện với các yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS) khác biệt về độ trễ, độ tin cậy, thông lượng và mức độ ưu tiên. Đặc thù của nút cảm biến là kích thước nhỏ, năng lực tính toán và bộ nhớ hạn chế, dung lượng pin hữu hạn và kênh truyền vô tuyến chịu suy hao, can nhiễu cao.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định: Các công trình trước đây chủ yếu tập trung vào các mạng đơn sự kiện hoặc chỉ giải quyết đơn lẻ một đến hai tham số hiệu năng (như tối ưu trễ hoặc tối ưu năng lượng). Khi xuất hiện đồng thời nhiều sự kiện với các mức ưu tiên và yêu cầu QoS khác nhau, các giải pháp hiện hành chưa đáp ứng được tính toàn diện, dễ dẫn đến hiện tượng nghẽn mạng cục bộ, suy giảm độ tin cậy hoặc cạn kiệt năng lượng nhanh ở một số nút trọng yếu. Do đó, việc xây dựng các giải pháp tối ưu hóa hiệu năng tích hợp ở tầng mạng và tầng liên kết dữ liệu là yêu cầu cấp thiết.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận án là nghiên cứu, tìm kiếm và xây dựng các giải pháp cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây đa sự kiện, tập trung vào việc giảm thời gian trễ truyền gói, tăng độ tin cậy và đảm bảo sử dụng năng lượng hiệu quả. Luận án tiếp cận giải quyết bài toán qua hai hướng cụ thể:

1. Đề xuất giải thuật định tuyến và lựa chọn ưu tiên phù hợp với yêu cầu ứng dụng (gồm giao thức định tuyến linh hoạt DRPDS và giải thuật định tuyến nhận thức năng lượng EARPM).
2. Đề xuất giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) có xét tới mức độ ưu tiên của dữ liệu và cơ chế nhận sớm gói tin (giao thức MAC PMME).

Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án bao gồm các giải pháp kỹ thuật nhằm cải thiện hiệu năng WSN đa sự kiện:

• Kỹ thuật định tuyến đa đường linh hoạt theo sự kiện và có nhận thức năng lượng trong WSN.
• Giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) ưu tiên trong WSN.

Phạm vi nghiên cứu

• Mô hình mạng: Mạng cảm biến gồm số lượng nút cảm biến hữu hạn ($N$ nút), vị trí cố định, phân bố ngẫu nhiên trong trường cảm biến giới hạn có diện tích $L \times L$ ($m^2$). Điểm tập hợp dữ liệu (sink) đặt tại vị trí cố định, biết trước tọa độ các nút và không bị giới hạn về nguồn năng lượng.
• Đặc tính nút mạng: Các nút cảm biến là đồng nhất về mặt cấu trúc phần cứng, dung lượng năng lượng ban đầu và bán kính truyền dẫn tối đa ($d_{max}$) tại thời điểm mạng bắt đầu hoạt động. Mức tiêu hao năng lượng tuân theo hoạt động thu phát ngẫu nhiên và được tính toán dựa trên mô hình vô tuyến bậc nhất.
• Mô hình sự kiện: Các sự kiện xuất hiện ngẫu nhiên theo thời gian trong trường cảm biến; có thời điểm nhiều sự kiện cùng xuất hiện đồng thời.
• Phân loại dữ liệu: Các sự kiện có yêu cầu QoS khác nhau và đã được phân loại mức độ ưu tiên trước khi truyền tải qua mạng.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trong nước và quốc tế

Tác giả đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu liên quan đến mạng cảm biến không dây theo hai không gian học thuật:

1. Các nghiên cứu tại Việt Nam:

• Hướng thiết kế chế tạo cảm biến và mạng đơn chặng: Các kết quả công bố từ Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Trường Đại học Công nghệ – ĐHQGHN, Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa – Bộ Công thương, Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Học viện Khoa học và Công nghệ.
• Hướng mạng cảm biến không dây đa chặng: Các nghiên cứu về nguyên lý, mô phỏng và định tuyến phân cụm đa chặng hướng sự kiện của nhóm tác giả thuộc Viện CNTT&TT và Viện Điện tử – Viễn thông (Trường Đại học Bách khoa Hà Nội), Trường Đại học Công nghệ – ĐHQGHN, thực nghiệm tại Trường Đại học Thái Nguyên. Các nghiên cứu này chủ yếu khảo sát nguyên lý hoặc tối ưu một tham số đơn lẻ, chưa giải quyết bài toán tối ưu đồng thời nhiều tham số cho mạng đa sự kiện.

2. Các nghiên cứu trên thế giới: Tác giả phân loại các giải pháp cải thiện hiệu năng WSN theo các tầng chức năng và các hướng tiếp cận chính:

• Định tuyến đơn đường và định tuyến dựa trên vị trí: Giao thức GPSR (Karp & Kung, 2000) sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp tham lam (greedy forwarding) dựa trên vị trí địa lý cục bộ của nút lân cận gần đích nhất.
• Định tuyến đa đường đảm bảo độ tin cậy: Giao thức ReInForm (Deb et al., 2001) gửi các bản sao dữ liệu trên nhiều đường độc lập dựa trên mức độ quan trọng của thông tin và xác suất lỗi kênh; tuy nhiên gây lãng phí năng lượng lớn do cơ chế sao chép toàn phần.
• Định tuyến đa đường kết hợp đơn đường theo sự kiện: Giao thức LEDMPR (Mao et al., 2013) sử dụng đơn đường cho sự kiện bình thường và đa đường cho sự kiện nghiêm trọng kết hợp tác tử di động (mobile agent), nhưng mới chỉ phân biệt hai mức sự kiện và tăng độ phức tạp xử lý trên nút.
• Định tuyến đa đường đa mức ưu tiên: Nghiên cứu của Chen et al. (2014) tách luồng âm thanh và hình ảnh để truyền trên các đường không giao nhau; tuy nhiên chỉ giới hạn ở hai mức ưu tiên và chưa khảo sát kịch bản nhiều nguồn phát tranh chấp tài nguyên.
• Xử lý ưu tiên sử dụng hàng đợi: Nghiên cứu của Farooq et al. (2014) đề xuất mô hình 3 hàng đợi ưu tiên theo tính thời gian thực và khoảng cách nguồn tin, song độ trễ mô phỏng còn cao (cỡ vài giây); nghiên cứu của Bagci et al. (2014) kết hợp định tuyến đa đường với lập lịch điều chỉnh độ dài hàng đợi.
• Giao thức lớp MAC ưu tiên: Giao thức QAEE (Shen et al., 2014) hỗ trợ 2 mức ưu tiên nhưng bắt buộc nút phải chờ hết thời gian tranh chấp $T_w$; giao thức MPQ (Guan et al., 2015) hỗ trợ 4 mức ưu tiên kết hợp CSMA p-persistent, tuy nhiên độ trễ của các mức ưu tiên thấp vẫn lớn và việc gán xác suất $p$ còn cứng nhắc.

Hướng giải pháp	Công trình tiêu biểu	Ưu điểm	Tồn tại, hạn chế chính
Định tuyến tin cậy đa đường	ReInForm (Deb et al., 2001)	Tăng độ tin cậy theo mức ưu tiên	Lãng phí năng lượng do sao chép gói tin trên tất cả các đường
Định tuyến đơn/đa đường kết hợp	LEDMPR (Mao et al., 2013)	Phân biệt sự kiện thường và nghiêm trọng; tiết kiệm năng lượng	Cần tác tử di động phức tạp; mới phân chia 2 mức sự kiện
Định tuyến đa mức ưu tiên	Chen et al. (2014)	Tách luồng audio/video, giảm trễ cho luồng ưu tiên	Mới xét 1 nguồn sự kiện, chưa xử lý tranh chấp đa nguồn
Hàng đợi ưu tiên	Farooq et al. (2014); Bagci et al. (2014)	Giảm thời gian chờ trung bình cho gói thời gian thực	Độ trễ còn lớn; yêu cầu bộ đệm lớn và năng lực tính toán cao
Giao thức MAC ưu tiên	QAEE (Shen et al., 2014); MPQ (Guan et al., 2015)	Phân biệt mức ưu tiên truy nhập kênh truyền	Độ trễ lớn do chờ hết thời gian tranh chấp $T_w$; gán $p$ cố định

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết

Luận án giải quyết khoảng trống về sự thiếu hụt các giải pháp thích ứng đồng thời với mạng đa sự kiện (nhiều hơn 2 mức ưu tiên) xuất hiện ngẫu nhiên cùng lúc. Luận án kết hợp kỹ thuật định tuyến linh hoạt nhận thức năng lượng ở tầng mạng và kỹ thuật phân định ưu tiên động kèm cơ chế nhận sớm beacon ở tầng MAC nhằm cân bằng giữa ba tham số: giảm trễ, tăng độ tin cậy và kéo dài thời gian sống của mạng.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và mô hình toán học

• Mô hình hình học và đồ thị mạng: Mạng cảm biến được mô hình hóa bằng đồ thị vô hướng $G = (V, E)$, trong đó $V$ là tập hợp các đỉnh gồm $N$ nút cảm biến và nút sink; $E$ là tập các liên kết truyền thông. Tồn tại liên kết $e(i, j) \in E$ giữa nút $i$ và nút $j$ nếu khoảng cách Euclid giữa chúng thỏa mãn: $$d(i, j) \le d_{max}$$

• Mô hình tiêu thụ năng lượng: Sử dụng mô hình vô tuyến bậc nhất (first-order radio model). Năng lượng tiêu hao để truyền một gói tin kích thước $S$ bit qua khoảng cách $d$ giữa hai nút được xác định bởi công thức: $$E_{hop}(S, d) = 2 \cdot \epsilon_{elec} \cdot S + \epsilon_{amp} \cdot S \cdot d^2$$ Trong đó:

  • $\epsilon_{elec}$: Năng lượng tiêu hao trên mạch thu/phát để xử lý 1 bit dữ liệu.
  • $\epsilon_{amp}$: Hệ số khuếch đại năng lượng cho bộ phát để truyền 1 bit dữ liệu qua khoảng cách $d$.
  • $S$: Độ dài bản tin dữ liệu (bit).
  • $d$: Khoảng cách giữa nút phát và nút thu (m).

• Cơ chế truy nhập kênh truyền CSMA p-persistent: Trong kỹ thuật CSMA, khi một nút cảm nhận kênh truyền rỗi, gói tin được truyền đi với xác suất $p$, và trì hoãn sang khe thời gian kế tiếp với xác suất $1 - p$. Cơ chế này dung hòa giữa non-persistent CSMA (giảm xung đột nhưng tăng trễ) và 1-persistent CSMA (giảm trễ khi tải thấp nhưng gây xung đột liên hoàn khi tải cao).

• Mô hình phân loại tham số chất lượng mạng:

  • Hiệu quả năng lượng: Đánh giá qua thời gian sống của mạng (giai đoạn ổn định từ khi hoạt động đến khi nút đầu tiên chết; giai đoạn không ổn định đến khi toàn mạng mất kết nối) và năng lượng tiêu thụ trung bình để truyền thành công một đơn vị dữ liệu.
  • Thời gian trễ (latency): Khoảng thời gian tính từ thời điểm nút nguồn phát hiện sự kiện đến khi nút sink nhận và xử lý hoàn tất gói tin.
  • Độ tin cậy: Đánh giá theo tỷ lệ truyền gói thành công (PSR) hoặc tỷ lệ lỗi gói (PER), bảo đảm theo cơ chế từng chặng (hop-by-hop) hoặc đầu cuối (end-to-end).

Phương pháp nghiên cứu

Luận án áp dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và mô phỏng thực nghiệm:

• Phương pháp phân tích lý thuyết: Phân tích giao thức mạng, xây dựng mô hình toán học giải tích để chứng minh hiệu quả của cơ chế nhân tải trên đa đường (tăng độ tin cậy) và san tải trên đa đường (giảm trễ khi nghẽn mạng).
• Phương pháp mô phỏng số rời rạc:
  • Sử dụng công cụ OMNeT++ để mô phỏng, kiểm chứng và đánh giá hiệu năng tầng mạng đối với các giao thức định tuyến đề xuất (DRPDS, EARPM) trong điều kiện đối sánh với giao thức GPSR.
  • Sử dụng công cụ Castalia (nền tảng mô phỏng mạng cảm biến dựa trên OMNeT++) để mô phỏng và đánh giá hiệu năng tầng MAC đối với giao thức đề xuất (PMME) trong điều kiện đối sánh với các giao thức QAEE và MPQ.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 1 thiết lập bức tranh tổng thể về mạng cảm biến không dây đa sự kiện, cấu trúc phần cứng của nút cảm biến, các mô hình năng lượng, kiến trúc mạng và phân loại toàn diện các giao thức định tuyến cũng như giao thức MAC.

Chương này phân tích các yêu cầu truyền thông đặc thù của 5 nhóm ứng dụng WSN đa sự kiện điển hình:

Tên ứng dụng	Sự kiện phát hiện	Yêu cầu ứng dụng	Tham số hiệu năng cần tối ưu
Cảnh báo cháy rừng (5 cấp độ)	Khả năng cháy từ Cấp 1 (thấp) đến Cấp 5 (cực kỳ nguy hiểm)	Cấp cao cần truyền dữ liệu tần suất lớn, độ ưu tiên tối đa, cảnh báo tức thời	Năng lượng tiêu thụ, thời gian trễ, khả năng chịu lỗi
Hầm mỏ	Hỏa hoạn, rò rỉ khí độc ($CO, CH_4, H_2S$), sập hầm, tăng áp suất	Sự kiện nguy hiểm cần truyền nhanh hơn so với thông số giám sát định kỳ	Độ tin cậy cao, thời gian trễ thấp
Nông nghiệp chính xác	Khô hạn, ngập lụt, xâm nhập mặn, thay đổi nhiệt độ, độ ẩm, pH	Phân biệt thông tin giám sát thường quy và tình huống bất thường cấp bách	Độ tin cậy, thời gian trễ
Nhà trẻ thông minh	Đột nhập, hỏa hoạn, video streaming, giám sát vị trí trẻ	Yêu cầu băng thông lớn đối với video; cảnh báo tức thời khi có sự cố	Băng thông rộng, thời gian trễ, độ tin cậy
Theo dõi sức khỏe	Đột quỵ, ngưng tim, khó thở, sốt cao	Dữ liệu sinh hiệu nguy kịch cần truyền liên tục, không trễ	Độ tin cậy tối đa, băng thông linh hoạt, thời gian trễ thấp

Từ việc phân loại các cơ chế định tuyến (phẳng, phân cấp, dựa trên vị trí; đàm phán, đa đường, truy vấn, QoS, coherent; chủ động, theo yêu cầu, lai ghép) và các cơ chế MAC (không xung đột: TDMA/FDMA/CDMA; dựa trên xung đột: đồng bộ SMAC/TMAC/DSMAC/PQMAC, dị bộ bên gửi khởi hoạt B-MAC/X-MAC/CR-MAC/DeepSleep-MAC, dị bộ sink khởi hoạt PP-MAC/MTTP-MAC/RF-AASP, dị bộ bên nhận khởi hoạt RI-MAC/RICER/A-MAC/ERI-MAC/QAEE/MPQ), chương làm rõ sự đánh đổi (trade-off) giữa độ tin cậy, độ trễ và tiêu hao năng lượng, xác lập cơ sở khoa học cho hai hướng nghiên cứu ở Chương 2 và Chương 3.

Chương 2: Cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây đa sự kiện sử dụng giao thức định tuyến linh hoạt

Chương 2 tập trung giải quyết bài toán định tuyến tầng mạng nhằm đáp ứng 3 loại sự kiện có yêu cầu QoS khác biệt xuất hiện đồng thời trong WSN:

• Sự kiện loại 1: Yêu cầu độ trễ thấp, thời gian thực.
• Sự kiện loại 2: Yêu cầu độ tin cậy truyền dữ liệu cao.
• Sự kiện loại 3: Sự kiện thông thường, yêu cầu tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ.

Tác giả đề xuất 02 giải thuật định tuyến:

1. Giao thức định tuyến linh hoạt DRPDS (Dynamic Routing Protocol and Delivering Scheme):

• Phát triển dựa trên nguyên lý định tuyến cục bộ theo vị trí của GPSR kết hợp cơ chế đơn đường và đa đường.
• Cơ chế xử lý: Đối với sự kiện loại 1, DRPDS áp dụng kỹ thuật san tải trên các đường ngắn nhất không giao nhau để giảm tắc nghẽn và rút ngắn thời gian trễ truyền tin. Đối với sự kiện loại 2, DRPDS áp dụng cơ chế nhân tải (truyền bản sao dữ liệu song song trên đa đường) để đảm bảo độ tin cậy nhận tin tại sink. Đối với sự kiện loại 3, giao thức sử dụng định tuyến đơn đường ngắn nhất để giảm thiểu năng lượng tiêu hao.

2. Giải thuật định tuyến nhận thức năng lượng EARPM (Energy-Aware Routing Protocol for Multi-event):

• Là phiên bản cải tiến từ DRPDS nhằm khắc phục hiện tượng cạn kiệt năng lượng cục bộ trên các tuyến đường ngắn nhất.
• Nguyên lý: Giải thuật kết hợp thông tin về khoảng cách hình học tới đích với mức năng lượng còn lại của các nút lân cận trong quá trình ra quyết định chọn chặng kế tiếp (next-hop). Tránh chuyển tiếp dữ liệu qua các nút có năng lượng dưới ngưỡng an toàn, giúp phân bổ đều gánh nặng truyền thông trên toàn mạng.

Kết quả đánh giá và mô phỏng trên OMNeT++:

• Giải thuật DRPDS đáp ứng đồng thời 3 loại sự kiện: giảm được 20% thời gian trễ đối với sự kiện loại 1 so với các loại sự kiện khác; sự kiện loại 2 đạt tỷ lệ mất gói nhỏ hơn nhiều lần so với tỷ lệ lỗi gói của từng chặng đơn lẻ.
• Giải thuật EARPM giúp kéo dài thời gian sống của toàn mạng lên khoảng 70% so với giao thức DRPDS, đồng thời duy trì độ tin cậy cao cho sự kiện loại 2 và giảm trễ cho sự kiện loại 1 trong điều kiện mạng xảy ra nghẽn lưu lượng.

Chương 3: Cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây đa sự kiện sử dụng giao thức MAC ưu tiên

Chương 3 giải quyết bài toán tối ưu hóa truy nhập môi trường truyền dẫn ở tầng liên kết dữ liệu. Tác giả phân tích sâu cơ chế hoạt động và hạn chế của hai giao thức MAC dị bộ do bên nhận khởi hoạt có hỗ trợ ưu tiên là QAEE (2 mức ưu tiên) và MPQ (4 mức ưu tiên).

Hạn chế của QAEE và MPQ:

• Nút nhận phát beacon quảng bá và phải chờ hết toàn bộ khoảng thời gian tranh chấp $T_w$ để thu thập các gói tin yêu cầu gửi (Tx-Beacon) từ tất cả các nút gửi trước khi ra quyết định cấp quyền truyền thông, gây trễ lớn cho toàn bộ hệ thống.
• Cơ chế gán xác suất truyền $p$ trong CSMA p-persistent của MPQ còn cố định, chưa thích ứng linh hoạt khi mật độ sự kiện biến đổi ngẫu nhiên.

Giải pháp đề xuất - Giao thức MAC ưu tiên PMME:

• Cơ chế CSMA p-persistent linh hoạt: Luận án thiết lập hàm điều chỉnh tham số $p$ động dựa trên cấp độ ưu tiên của gói tin dữ liệu. Gói tin có mức ưu tiên càng cao sẽ được gán giá trị xác suất $p$ càng lớn, tăng cơ hội chiếm kênh truyền ngay khi kênh rỗi mà không cần lùi bước ngẫu nhiên quá lâu.
• Cơ chế nhận sớm Beacon (Early Beacon Reception): Nút nhận không cần chờ hết chu kỳ tranh chấp $T_w$. Ngay khi nhận được yêu cầu gửi hợp lệ đầu tiên từ nút có gói dữ liệu ưu tiên cao nhất, nút nhận lập tức phản hồi và thiết lập kênh truyền dữ liệu.

Kết quả đánh giá và mô phỏng trên Castalia:

• Giao thức PMME giảm đáng kể thời gian trễ truyền dữ liệu so với QAEE và MPQ.
• Tăng hiệu quả sử dụng năng lượng cho nút nhận và nút gửi do triệt tiêu thời gian chờ vô ích trong pha tranh chấp.
• Đảm bảo tỷ lệ truyền gói thành công (PSR) cao cho các luồng dữ liệu khẩn cấp khi xuất hiện nhiều sự kiện đồng thời.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và kỹ thuật

1. Đề xuất 02 giải pháp định tuyến linh hoạt ở tầng mạng (DRPDS và EARPM):
   • Xây dựng mô hình phân loại và cơ chế chuyển tiếp gói tin thích ứng với 3 loại sự kiện có yêu cầu QoS khác biệt.
   • Kết hợp thành công kỹ thuật san tải đa đường (giảm 20% trễ cho gói tin khẩn cấp) và nhân tải đa đường (bảo đảm độ tin cậy vượt trội cho dữ liệu quan trọng).
   • Thiết lập giải thuật định tuyến nhận thức năng lượng kết hợp khoảng cách hình học, kéo dài thời gian sống của toàn mạng thêm khoảng 70% so với phương pháp định tuyến linh hoạt thuần túy.
2. Đề xuất giao thức điều khiển truy nhập môi trường PMME ở tầng MAC:
   • Cải tiến cơ chế CSMA p-persistent với xác suất $p$ biến đổi linh hoạt theo mức ưu tiên của gói tin dữ liệu.
   • Thiết lập cơ chế nhận sớm Tx-Beacon, loại bỏ thời gian trễ chờ cố định $T_w$ ở phía nút nhận, giảm thiểu xung đột kênh truyền và tiết kiệm năng lượng tiêu thụ.

Danh mục công trình khoa học đã công bố của tác giả

Các kết quả nghiên cứu trong luận án đã được công bố qua 4 bài báo tạp chí chuyên ngành và 4 báo cáo hội nghị khoa học:

• Tạp chí Khoa học Công nghệ Thông tin và Truyền thông (JSTIC): 02 bài báo ([J1] năm 2016 về giải pháp đáp ứng đa sự kiện; [J2] năm 2017 về giải thuật định tuyến DRPDS).
• Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Quân sự: 02 bài báo ([J3] năm 2018 về giải thuật định tuyến EARPM; [J4] về giao thức MAC PMME).
• Hội nghị quốc tế: 03 bài báo (Hội nghị ACM SoICT 2017 [C1]; Hội nghị IEEE SigTelCom 2018 [C2]; Hội nghị quốc tế [C4]).
• Hội nghị trong nước: 01 báo cáo tại Hội nghị chuyên ngành [C3].

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

• Phạm vi mô hình nút: Nghiên cứu giới hạn ở mô hình mạng gồm các nút cảm biến có vị trí cố định, đồng nhất về năng lượng và phần cứng ban đầu; chưa khảo sát mô hình mạng có nút di động hoặc nút không đồng nhất về năng lực truyền dẫn.
• Môi trường đánh giá: Các kết quả định lượng được kiểm chứng qua phân tích toán học và mô phỏng số trên phần mềm OMNeT++ và Castalia; chưa triển khai thực nghiệm diện rộng trên phần cứng nút cảm biến thực tế trong môi trường tự nhiên.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

• Mở rộng giải thuật định tuyến và giao thức MAC cho mạng cảm biến không dây có các nút di động hoặc nút chuyển động hỗn hợp.
• Nghiên cứu cơ chế tối ưu hóa hiệu năng kết hợp kỹ thuật thu hoạch/tái nạp năng lượng (Energy Harvesting WSN) từ môi trường.
• Triển khai thử nghiệm thực tế các giao thức DRPDS, EARPM và PMME trên các nền tảng phần cứng cảm biến chuyên dụng (testbed) trong các ứng dụng cảnh báo cháy rừng hoặc giám sát môi trường hầm mỏ.

---

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Chuyên ngành Kỹ thuật Viễn thông, Mạng máy tính và Truyền thông dữ liệu có thể sử dụng luận án làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về kỹ thuật thiết kế giao thức định tuyến đa đường, mô hình hóa năng lượng vô tuyến và cơ chế điều khiển truy nhập môi trường dị bộ.
• Kỹ sư và nhà phát triển hệ thống IoT/WSN: Tham khảo các thuật toán cụ thể (DRPDS, EARPM, PMME) để tối ưu hóa firmware cho các hệ thống giám sát chuyên dụng yêu cầu đa mức dịch vụ như hệ thống cảnh báo hỏa hoạn, nông nghiệp công nghệ cao và quan trắc công nghiệp.

Các nội dung giá trị cốt lõi

• Khung phân loại chi tiết các giao thức định tuyến và MAC trong WSN.
• Phương pháp luận kết hợp mô hình toán giải tích với công cụ mô phỏng OMNeT++/Castalia trong đánh giá hiệu năng mạng truyền thông không dây.
• Các công thức toán học về mô hình năng lượng vô tuyến bậc nhất và giải thuật lựa chọn nút chuyển tiếp nhận thức năng lượng.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án giải quyết bài toán cho mấy loại sự kiện và cơ chế xử lý của từng loại là gì?

Luận án giải quyết bài toán cho 3 loại sự kiện có yêu cầu chất lượng dịch vụ khác biệt:

• Sự kiện loại 1 (Yêu cầu độ trễ thấp): Sử dụng kỹ thuật định tuyến đa đường kết hợp san tải lên các đường không giao nhau để giảm tắc nghẽn và rút ngắn thời gian trễ truyền tin.
• Sự kiện loại 2 (Yêu cầu độ tin cậy cao): Sử dụng kỹ thuật định tuyến đa đường kết hợp nhân tải (gửi các bản sao gói tin trên nhiều tuyến đường) nhằm bù đắp suy hao và lỗi kênh.
• Sự kiện loại 3 (Sự kiện thông thường): Sử dụng kỹ thuật định tuyến đơn đường ngắn nhất để tối ưu hóa và tiết kiệm năng lượng tiêu thụ.

2. Giao thức định tuyến EARPM có điểm gì cải tiến so với DRPDS và đạt hiệu quả ra sao?

EARPM là phiên bản nâng cấp của DRPDS. Điểm cải tiến cốt lõi là EARPM bổ sung cơ chế nhận thức năng lượng: việc chọn nút chuyển tiếp chặng kế tiếp không chỉ dựa vào khoảng cách địa lý tới sink mà còn dựa vào mức năng lượng còn lại của nút lân cận. Kết quả mô phỏng trên OMNeT++ cho thấy EARPM giúp kéo dài thời gian sống của toàn mạng lên khoảng 70% so với DRPDS trong khi vẫn bảo đảm độ tin cậy và giảm độ trễ cho các sự kiện ưu tiên.

3. Nguyên lý hoạt động và ưu điểm của giao thức MAC PMME là gì?

Giao thức PMME hoạt động dựa trên cơ chế bên nhận khởi hoạt dị bộ, tích hợp hai cải tiến:

1. Gán xác suất truyền $p$ trong CSMA p-persistent thay đổi động theo mức độ ưu tiên của gói dữ liệu (gói ưu tiên cao có $p$ lớn hơn để giành quyền truy nhập kênh nhanh).
2. Áp dụng cơ chế nhận sớm Tx-Beacon ở phía nút nhận, cho phép phản hồi ngay khi nhận được yêu cầu truyền tin ưu tiên cao nhất mà không cần đợi hết thời gian tranh chấp $T_w$. Nhờ đó, PMME giảm trễ truyền dữ liệu, tiết kiệm năng lượng cho các nút và duy trì tỷ lệ truyền gói thành công cao hơn so với QAEE và MPQ.

4. Các công cụ mô phỏng số nào được sử dụng để kiểm chứng các giải thuật trong luận án?

Tác giả sử dụng hai phần mềm mô phỏng chuyên dụng:

• OMNeT++: Dùng để mô phỏng, kiểm chứng và đánh giá hiệu năng tầng mạng của các giải thuật định tuyến DRPDS và EARPM (đối sánh với giao thức GPSR).
• Castalia: Dùng để mô phỏng, phân tích và đánh giá hiệu năng tầng liên kết dữ liệu của giao thức MAC PMME (đối sánh với các giao thức QAEE và MPQ).

---

Kết luận

Luận án đã giải quyết bài toán tối ưu hóa hiệu năng cho mạng cảm biến không dây đa sự kiện thông qua việc đề xuất các giải pháp đồng bộ ở cả tầng mạng và tầng liên kết dữ liệu. Các giao thức định tuyến DRPDS, EARPM và giao thức MAC PMME được chứng minh qua mô hình toán học và mô phỏng số giúp giảm 20% thời gian trễ cho sự kiện khẩn cấp, nâng cao độ tin cậy và kéo dài thời gian sống của mạng lên 70%. Công trình cung cấp cơ sở lý thuyết và giải pháp kỹ thuật hoàn chỉnh cho việc thiết kế các hệ thống IoT và WSN giám sát đa chỉ tiêu trong thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 đã được công bố trong Tạp chí Khoa học công nghệ thông tin và truyền thông (JSTIC) 2016 [J1]. 8 cảm biến cần chuyển tiếp thông tin cảm biến về các sự kiện tới điểm tập hợp dữ liệu (sink). Mỗi sự kiện sẽ có yêu cầu khác nhau về chất lượng dịch vụ như độ trễ, tốc độ, độ tin cậy, độ ưu tiên …[12], [90].1 mô tả một mạng cảm biến không dây đa sự kiện. Các nút cảm biến nằm rải rác trong trường cảm biến và thường gồm một hoặc vài thiết bị cảm biến đơn giản, nhỏ gọn, giá thành rẻ… tạo nên sự kết hợp các khả năng cảm biến, xử lý và chuyển tiếp thông tin qua hạ tầng không dây về điểm tập hợp dữ liệu (sink) và từ đó chuyển tiếp tới người sử dụng cuối.

Dữ liệu được định tuyến về sink thông qua con đường trực tiếp hoặc qua đa chặng. Sink có thể truyền thông với nút quản lý nhiệm vụ qua vệ tinh hoặc Internet.1 Nút mạng Công nghệ điện tử siêu nhỏ (MEMS – Micro ElectroMechanical System) hỗ trợ sản xuất cảm biến dưới dạng vi cơ điện tử có kích thước từ vài micromet tới vài milimet [157]. Hệ thống định Bộ quản lý di vị động Khối cảm biến Khối xử lý Khối truyền thông Cảm Bộ xử lý Thiết bị biến ADC Bộ lưu trữ thu phát Bộ phận Khối nguồn phát điện Hình 1.2: Thành phần của một nút cảm biến [15] Một nút mạng cảm biến thường có bốn khối [15]: (1) khối cảm biến dùng để cảm nhận sự thay đổi từ môi trường bên ngoài và chuyển thành tín hiệu điện về khối xử lý, (2) khối xử lý có dung lượng nhỏ để quản lý dữ liệu thu được, (3) khối truyền thông là một bộ thu phát vô tuyến được sử dụng để trao đổi thông tin giữa các nút và (4) khối nguồn để cung cấp năng lượng cho các khối còn lại; ngoài ra còn tùy 9 vào ứng dụng cụ thể mà nút cảm biến còn có thể có các thành phần bổ sung như hệ thống định vị, bộ phận phát điện và bộ quản lý di động (Hình 1. Khối truyền thông (thu phát) trên nút cảm biến là khối tiêu thụ nhiều năng lượng nhất, vì thế rất nhiều nghiên cứu tập trung vào khối này để tiết kiệm năng lượng được nhiều hơn.2 Mạng lưới liên kết Với mạng cảm biến nói chung thì liên kết giữa các nút trong mạng có thể là hữu tuyến hoặc vô tuyến.

Điều kiện kết nối không dây ở khắp nơi cho phép việc truyền thông tin trong WSN đến các trạm thu và xử lý và vào Internet dễ dàng hơn rất nhiều và những ứng dụng hiện đại càng hướng tới việc sử dụng kết nối không dây do tính linh hoạt và dễ dàng triển khai. Mạng cảm biến không dây có thể biểu diễn như một đồ thị vô hướng G  V , E trong đó V biểu diễn tập các đỉnh (các nút cảm biến và nút sink) và E biểu diễn các cạnh [139]. Giả sử có N nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên trong một vùng có phạm vi L×L (m2), tồn tại một liên kết E  i, j  giữa nút i và nút j nếu khoảng cách Euclidean Euclidean  i, j  không vượt quá bán kính truyền dẫn của nút cảm biến ( d max ). Nút tập hợp /giám sát dữ liệu còn gọi là sink được đặt ở vị trí cố định và không bị giới hạn về năng lượng, nó biết vị trí của mình và vị trí của toàn bộ nút cảm biến.

Với mạng cảm biến hướng theo sự kiện thì khi phát hiện sự kiện, nút cảm biến sẽ gửi thông tin trực tiếp hoặc tự tìm đường gián tiếp về sink thông qua lân cận của nó.  Kết nối trong mạng cảm biến thường là kết nối một chiều hướng từ trường cảm biến về sink, song cũng tồn tại các kết nối theo chiều ngược lại khi các nút cảm biến yêu cầu tìm đường hoặc phát quảng bá thông tin.  Việc truyền thông từ nút cảm biến về trạm gốc có thể là đơn bước (trực tiếp) hoặc đa bước (gián tiếp). Các nút cảm biến được triển khai dày đặc nên các nút thường ở gần nhau, vì thế truyền thông đa bước trong mạng cảm biến sẽ giúp việc tiêu thụ năng lượng của nút ít hơn so với truyền thông đơn bước [15].3 Mô hình năng lượng Năng lượng tiêu thụ trong mạng cảm biến không dây có ba thành phần chính: cảm biến, truyền thông (thu, phát) và xử lý dữ liệu.

Trong ba thành phần này, năng lượng cho truyền thông là chủ yếu [15]. Trong luận án, năng lượng của nút cho việc thu phát thông tin được xây dựng dựa trên mô hình vô tuyến bậc nhất [58].3,  elec là năng lượng cần để phát hoặc thu một bít dữ liệu còn  amp là năng lượng để khuếch đại một bit dữ liệu bên phát, d là khoảng cách giữa bên phát và thu.3: Mô tả hình năng lượng thu phát của nút cảm biến [15], [58] Khi đó, năng lượng tiêu thụ để gửi một bản tin có độ dài là S bít tới nút ở khoảng cách d được tính theo công thức sau [58]: Ehop  S , d   2   elec  S   amp  S  d 2 (1.4 Định tuyến trong mạng cảm biến không dây Định tuyến là tiến trình lựa chọn đường đi cho các gói tin từ nguồn qua mạng tới đích. Mục tiêu cơ bản của các giao thức định tuyến là đáp ứng được những yêu cầu chất lượng của ứng dụng và sử dụng hiệu quả tài nguyên mạng.1 Phân loại định tuyến trong mạng cảm biến không dây Nhìn chung, định tuyến trong mạng cảm biến không dây được chia thành bốn loại chính dựa trên kiểu kiến trúc mạng, hoạt động của giao thức, việc thiết lập tuyến đường và nút khởi hoạt truyền thông.4 cho ta thấy sự phân loại các giao thức định tuyến cơ bản này [17], [41].  Trong định tuyến phẳng (flat-based), các nút cảm biến giữ vai trò và chức năng tương đương nhau trong việc thực hiện nhiệm vụ cảm biến và chuyển tiếp dữ liệu.

Phân loại giao thức định tuyến trong WSN Theo kiến Theo hoạt động của Theo việc Theo nút trúc mạng giao thức thiết lập khởi hoạt tuyến đường truyền thông Định Định Định Định Định Định Định Định Định Định Định Định Định tuyến tuyến tuyến tuyến tuyến tuyến tuyến tuyến tuyến tuyến tuyến tuyến tuyến phẳng phân dựa dựa đa dựa dựa kết chủ theo lai nguồn đích cấp trên trên đường trên trên hợp động yêu vị trí đàm truy QoS cầu phán vấn Hình 1.4: Phân loại giao thức định tuyến trong WSN  Trong định tuyến phân cấp (hierarchical-based) có sự phân biệt vai trò giữa các nút trong mạng. Các nút trong mạng cảm biến sẽ được phân chia vào các nhóm/cụm (cluster), mỗi nhóm sẽ có một chủ cụm (cluster head) 12 có vai trò thu nhận dữ liệu của các nút thành viên trong nhóm gửi về và tổng hợp, gửi dữ liệu hướng về trạm gốc (sink) [58].  Trong phương thức định tuyến dựa trên vị trí (location-based), vị trí của các nút được sử dụng để định tuyến dữ liệu trong mạng [130]. (2) Dựa trên cách thức hoạt động, các giao thức định tuyến được chia thành các loại: định tuyến dựa trên đàm phán (negotiation-based), định tuyến dựa trên đa đường (multipath-based), định tuyến theo truy vấn (query-based), định tuyến theo chất lượng dịch vụ (QoS-based) và định tuyến xử lý dữ liệu coherent.

 Định tuyến dựa trên đàm phán: Các giao thức này sử dụng phương pháp mô tả dữ liệu ở mức độ cao nhằm loại bỏ các thông tin dư thừa khi truyền lưu lượng. Quyết định chuyển tiếp lưu lượng cũng được xác định dựa vào nguồn tài nguyên sẵn có của nút. Mục tiêu chính của các giao thức loại này là tránh các thông tin dư thừa, thông tin trùng lặp bằng cách đàm phán, trao đổi các bản tin mô tả dữ liệu trước khi thực hiện truyền dữ liệu thực.  Định tuyến đa đường: Các giao thức thuộc loại này sử dụng nhiều tuyến đường tới nút nguồn để truyền dữ liệu chứ không phải chỉ một tuyến duy nhất.

Mục tiêu của các giao thức dựa trên đa đường là nâng cao hiệu suất mạng, khả năng chịu lỗi, tăng độ tin cậy… Giao thức đa đường cũng cần cơ chế để duy trì nhiều tuyến vì vậy cũng cần thêm năng lượng tiêu thụ.  Định tuyến dựa trên truy vấn: Các giao thức loại này thực hiện truyền lưu lượng dựa trên các truy vấn về dữ liệu cảm biến. Các truy vấn thường ở dưới dạng các mô tả về dữ liệu (nhiệm vụ cảm biến) và được các nút quảng bá trong mạng. Với nhóm giao thức loại này, cơ chế truy vấn thường là làm tràn lụt bản tin truy vấn trong mạng.

 Định tuyến dựa trên chất lượng dịch vụ: Các giao thức này cần phải cân bằng giữa năng lượng tiêu thụ và các thông số liên quan tới đảm bảo chất lượng dịch vụ. Đặc biệt trong hoạt động giao thức, mạng phải đáp ứng được các yêu cầu tham số QoS nhất định như trễ, năng lượng, băng thông song cũng cần sử dụng tối ưu các nguồn tài nguyên của mạng. 13  Định tuyến xử lý dữ liệu coherent: Trong hoạt động của giao thức định tuyến này, nút thực hiện xử lý tối thiểu dữ liệu (lấy mẫu, nén …) trước khi truyền tới nút cảm biến khác hoặc tới các nút tổng hợp. Các nút tổng hợp thực hiện việc tổng hợp dữ liệu từ nhiều nút và truyền tới sink.

Định tuyến kiểu này giúp tối ưu hiệu quả về năng lượng cho mạng. (3) Dựa trên việc thiết lập tuyến đường được chia thành định tuyến chủ động (theo bảng-table driven), theo yêu cầu (on-demand) hoặc lai ghép.  Trong các giao thức định tuyến chủ động (proactive routing/table-driven), tất cả các đường được tính toán trước khi có yêu cầu, giao thức loại này hoạt động dựa trên sự trao đổi định kỳ của các bản tin điều khiển. Do đó một nút nguồn có thể gửi bản tin tới đích ngay lập tức khi nó cần mà không cần tốn thời gian cho việc tìm kiếm đường trong lúc truyền dữ liệu.

Sử dụng giao thức định tuyến Proactive, mỗi nút luôn cập nhật trạng thái của mạng và duy trì các tuyến đường cho dù tuyến đó có lưu lượng dữ liệu chuyển qua hay không. Các giao thức Proactive có hai ưu điểm nổi trội là (1) Mạng hội tụ nhanh: Khi topo mạng có sự thay đổi thì gần như ngay lập tức các nút trong mạng sẽ cập nhật thay đổi topo mạng của mình. (2) Độ trễ tuyến thấp: Mỗi nút có đầy đủ thông tin về topo mạng nên khi cần trao đổi thông tin thì nút nguồn có thể ngay lập tức tìm thấy tuyến đường đi tới đích. Đặc tính này rất phù hợp với việc truyền thông tin yêu cầu thời gian thực.