Luận văn thạc sĩ về cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây qua kỹ thuật phân cụm

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây qua kỹ thuật phân cụm, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện

• Tác giả: Kiều Quý
• Người hướng dẫn: TS. Hoàng Trọng Minh
• Trường học: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
• Đề tài: Cải Thiện Hiệu Năng Mạng Cảm Biến Không Dây Qua Phân Cụm
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
• 1.1. Giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây
• 1.2. Các giao thức truyền dẫn và định tuyến trong mạng WSN
• 1.2.1. Giao thức định tuyến nút trung tâm
• 1.2.2. Giao thức định tuyến dữ liệu trung tâm
• 1.3. Một số ứng dụng điển hình
• 1.3.1. Trong quân sự
• 1.3.2. Trong điều trị và y học
• 1.3.3. Trong gia đình
• 1.3.4. Trong công nghiệp và nông nghiệp
• 1.4. Ứng dụng WSN trong điện lưới thông minh
• 1.5. Ứng dụng WSN trong giao thông thông minh
• 1.6. Các vấn đề liên quan đến hiệu quả năng lượng
• 1.7. Kết luận chương
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC GIẢI PHÁP PHÂN CỤM TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
• 2.1. Giới thiệu chung về các kỹ thuật phân cụm
• 2.2. Các đặc trưng kiến trúc cụm
• 2.3. Các đặc tính hiệu năng cụm
• 2.4. Các giao thức định tuyến hiệu quả năng lượng
• 2.4.1. Giao thức LEACH
• 2.4.2. Giao thức PEGASIS
• 2.4.3. Giao thức TEEN
• 2.4.4. Giao thức mạng lai ghép APTEEN
• 2.4.5. Giao thức EEHC
• 2.5. Tiếp cận gần đúng trong bài toán phân cụm
• 2.5.1. Sử dụng logic mờ
• 2.5.2. Sử dụng thuật toán di truyền
• 2.5.3. Sử dụng mạng neural
• 2.5.4. Tối ưu bầy đàn
• 2.6. Một số giải pháp phân cụm dựa trên tiếp cận gần đúng
• 2.6.1. Phân cụm LEACH-GA
• 2.6.2. Thuật toán phân cụm EAUCF
• 2.6.3. Thuật toán phân cụm SOM
• 2.7. Kết luận chương
• 3. CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP PHÂN CỤM CẢI THIỆN HIỆU NĂNG WSN DỰA TRÊN LOGIC MỜ
• 3.1. Tóm lược hoạt động bầu chủ cụm của LEACH
• 3.2. Các vấn đề cơ bản của logic mờ
• 3.2.1. Một số khái niệm
• 3.2.2. Tính chất của tập mờ
• 3.2.3. Lý luận trong tập mờ
• 3.2.4. Sơ đồ tổng quan hệ thống suy luận mờ
• 3.3. Ứng dụng hệ thống suy luận mờ trong phân cụm
• 3.3.1. Các giả thiết và kiến trúc mạng WSN
• 3.3.2. Suy luận khả năng nút được lựa chọn vào tập nút chủ cụm
• 3.3.3. Suy luận khả năng được lựa chọn làm chủ cụm trong miền cục bộ
• 3.3.4. Thiết lập tuyến kết nối giữa các CH
• 3.3.5. Kết quả đánh giá hiệu năng
• 3.4. Kết luận chương
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây (mạng cảm biến không dây) là một phần quan trọng trong hệ sinh thái Internet of Things (IoT). Chúng bao gồm nhiều nút cảm biến nhỏ gọn, có khả năng thu thập và truyền tải dữ liệu từ môi trường. Các nút này có thể cảm nhận các thông số như nhiệt độ, độ ẩm và ô nhiễm không khí. Việc truyền tải dữ liệu từ các nút cảm biến đến nút gốc giúp con người có thể theo dõi và phân tích thông tin một cách hiệu quả. Mạng cảm biến không dây có thể được triển khai ở nhiều địa hình khác nhau, từ những khu vực dễ tiếp cận đến những nơi khó khăn nhất. Tuy nhiên, mạng này cũng đối mặt với nhiều thách thức như độ tin cậy trong truyền thông và giới hạn về nguồn năng lượng. Do đó, việc áp dụng các kỹ thuật phân cụm là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất mạng. Các chiến lược phân cụm giúp giảm thiểu năng lượng tiêu thụ và kéo dài thời gian sống của mạng, từ đó cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây.

1.1. Các giao thức truyền dẫn và định tuyến trong mạng WSN

Thiết kế các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây (mạng cảm biến không dây) cần phải xem xét nhiều yếu tố như giới hạn công suất, chất lượng kênh truyền và khả năng mất gói. Các giao thức định tuyến có thể được chia thành hai loại chính: giao thức định tuyến nút trung tâm và giao thức định tuyến dữ liệu trung tâm. Giao thức LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) là một ví dụ điển hình cho giao thức định tuyến nút trung tâm, nơi các nút cảm biến tự tổ chức thành các cụm và một nút được chọn làm nút chủ để thực hiện việc truyền tải dữ liệu. Giao thức này giúp phân phối năng lượng đều giữa các nút, từ đó kéo dài thời gian sống của mạng. Trong khi đó, giao thức định tuyến dữ liệu trung tâm tập trung vào việc thu thập dữ liệu từ các vùng cụ thể, giúp tối ưu hóa việc truyền tải thông tin. Việc áp dụng các giao thức này không chỉ cải thiện hiệu năng mạng mà còn giúp quản lý thông tin một cách hiệu quả hơn.

II. Các giải pháp phân cụm trong mạng cảm biến không dây

Phân cụm là một kỹ thuật quan trọng trong việc cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây (cải thiện hiệu năng mạng). Kỹ thuật này giúp tổ chức các nút cảm biến thành các cụm, trong đó một nút được chọn làm nút chủ để thực hiện việc truyền tải dữ liệu. Các giải pháp phân cụm có thể được chia thành hai loại: phân cụm đều và phân cụm không đều. Phân cụm đều thường có độ phức tạp thấp hơn nhưng hiệu suất truyền thông có thể bị suy giảm do lỗ hổng năng lượng. Ngược lại, phân cụm không đều có thể tránh được vấn đề này nhưng yêu cầu nhiều biến số cần tối ưu. Các giao thức như LEACH, PEGASIS và TEEN đã được đề xuất để cải thiện hiệu suất năng lượng của mạng. Việc áp dụng các giải pháp phân cụm không chỉ giúp giảm thiểu tiêu thụ năng lượng mà còn kéo dài thời gian sống của mạng, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động của mạng cảm biến không dây.

2.1. Các đặc trưng kiến trúc cụm

Kiến trúc cụm trong mạng cảm biến không dây (mạng cảm biến không dây) có nhiều đặc trưng quan trọng. Đầu tiên, việc tổ chức các nút thành các cụm giúp giảm thiểu độ phức tạp trong việc quản lý thông tin và truyền tải dữ liệu. Thứ hai, các nút chủ trong cụm có nhiệm vụ phân phối thông tin và điều phối hoạt động của các nút khác, từ đó tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng. Cuối cùng, kiến trúc cụm cũng cho phép mở rộng mạng một cách linh hoạt, giúp dễ dàng thêm hoặc bớt các nút cảm biến mà không làm ảnh hưởng đến hiệu suất chung của mạng. Việc hiểu rõ các đặc trưng này là cần thiết để phát triển các giải pháp phân cụm hiệu quả hơn trong tương lai.

III. Giải pháp phân cụm cải thiện hiệu năng WSN dựa trên logic mờ

Sử dụng logic mờ trong phân cụm mạng cảm biến không dây (cải thiện hiệu suất) là một phương pháp tiềm năng. Logic mờ cho phép xử lý các thông tin không chắc chắn và giúp đưa ra quyết định dựa trên các tiêu chí mờ. Trong bối cảnh mạng cảm biến, việc áp dụng logic mờ có thể giúp xác định khả năng của các nút cảm biến trong việc trở thành nút chủ cụm. Các giả thiết và kiến trúc mạng WSN được thiết lập để tối ưu hóa việc lựa chọn nút chủ, từ đó nâng cao hiệu suất truyền tải dữ liệu. Kết quả đánh giá hiệu năng cho thấy rằng việc áp dụng logic mờ không chỉ cải thiện khả năng truyền tải mà còn kéo dài thời gian sống của mạng. Điều này chứng tỏ rằng logic mờ có thể là một công cụ hữu ích trong việc phát triển các giải pháp phân cụm hiệu quả cho mạng cảm biến không dây.

3.1. Tóm lược hoạt động bầu chủ cụm của LEACH

Giao thức LEACH là một trong những giao thức phân cụm phổ biến nhất trong mạng cảm biến không dây (mạng cảm biến không dây). Giao thức này hoạt động bằng cách tổ chức các nút cảm biến thành các cụm, trong đó một nút được chọn làm nút chủ. Nút chủ có nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ các nút trong cụm và truyền tải thông tin đến nút gốc. Việc lựa chọn nút chủ được thực hiện ngẫu nhiên, giúp phân phối năng lượng đều giữa các nút và kéo dài thời gian sống của mạng. Tuy nhiên, giao thức này cũng gặp phải một số vấn đề như độ phức tạp trong việc lựa chọn nút chủ và khả năng mất mát dữ liệu trong quá trình truyền tải. Do đó, việc cải thiện giao thức LEACH thông qua các phương pháp như logic mờ có thể giúp nâng cao hiệu suất mạng một cách đáng kể.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) là một thành phần thiết yếu trong hệ sinh thái Internet vạn vật (IoT), đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập và truyền tải dữ liệu từ môi trường đến trung tâm xử lý. Theo ước tính, mạng WSN được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như quân sự, y tế, giao thông thông minh, công nghiệp và nông nghiệp. Tuy nhiên, mạng WSN đối mặt với nhiều thách thức như giới hạn năng lượng của nút cảm biến, độ tin cậy truyền thông và sự biến động môi trường hoạt động.

Vấn đề phân cụm trong mạng WSN là một bài toán NP-Hard với đa mục tiêu và đa ràng buộc, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu năng và thời gian sống của mạng. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đề xuất giải pháp cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây thông qua kỹ thuật phân cụm dựa trên logic mờ, nhằm kéo dài thời gian sống mạng và tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mạng cảm biến không dây phân cấp, với các kỹ thuật định tuyến và phân cụm hiệu quả năng lượng, được mô phỏng và kiểm chứng trong môi trường mạng giả lập.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả vận hành mạng WSN, góp phần phát triển các ứng dụng IoT bền vững, đặc biệt trong các hệ thống giám sát và điều khiển tự động. Các chỉ số đánh giá chính bao gồm thời gian sống mạng, mức tiêu thụ năng lượng trung bình và khả năng mở rộng mạng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Mạng cảm biến không dây (WSN): Mạng gồm nhiều nút cảm biến nhỏ gọn, thu thập dữ liệu môi trường và truyền về trạm gốc. Các nút có giới hạn năng lượng và khả năng xử lý hạn chế, đòi hỏi các giải pháp tối ưu về truyền dẫn và định tuyến.
• Giao thức phân cụm LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy): Giao thức phân cụm tự tổ chức, xoay vòng nút chủ cụm để cân bằng tải năng lượng, giảm tiêu thụ năng lượng và kéo dài thời gian sống mạng.
• Logic mờ (Fuzzy Logic): Lý thuyết toán học xử lý thông tin không chính xác, không chắc chắn, cho phép mô hình hóa các biến ngôn ngữ như "gần", "xa", "cao", "thấp" thông qua hàm thành viên và luật mờ. Logic mờ được ứng dụng để cải thiện quá trình lựa chọn nút chủ cụm dựa trên nhiều tham số đầu vào không rõ ràng.
• Thuật toán phân cụm heuristic: Bao gồm thuật toán di truyền (GA), mạng nơ-ron nhân tạo (SOM), tối ưu bầy đàn (PSO, ACO, BCO), nhằm tìm giải pháp gần đúng cho bài toán phân cụm NP-Hard.

Các khái niệm chính bao gồm: nút chủ cụm (Cluster Head - CH), năng lượng dư (Residual Energy), khoảng cách đến trạm gốc, mật độ nút, số bước nhảy (hop count), và các tham số mờ như khoảng cách mờ, năng lượng mờ.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Luận văn sử dụng dữ liệu mô phỏng mạng WSN với số lượng nút cảm biến lớn, phân bố ngẫu nhiên trong vùng khảo sát kích thước MxM mét vuông. Thông tin về năng lượng ban đầu, vị trí nút, và các tham số truyền dẫn được thiết lập theo các mô hình chuẩn.
• Phương pháp phân tích: Áp dụng mô hình logic mờ để tính toán xác suất lựa chọn nút chủ cụm dựa trên các biến đầu vào như năng lượng còn lại và khoảng cách đến trạm gốc. So sánh hiệu năng với các giao thức phân cụm truyền thống như LEACH, LEACH-GA, EAUCF, và SOM thông qua các chỉ số thời gian sống mạng, năng lượng tiêu thụ trung bình.
• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu gồm ba giai đoạn chính: khảo sát và tổng quan lý thuyết (3 tháng), phát triển mô hình và thuật toán phân cụm dựa trên logic mờ (6 tháng), mô phỏng, đánh giá và hoàn thiện luận văn (3 tháng).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Cải thiện thời gian sống mạng: Giải pháp phân cụm dựa trên logic mờ giúp kéo dài thời gian sống của mạng WSN lên đến khoảng 30-50% so với giao thức LEACH truyền thống. Ví dụ, trong mô phỏng với 100 nút trên vùng 50mx50m, thời gian xuất hiện nút chết đầu tiên (FND) được kéo dài từ 500 vòng lên gần 750 vòng.

2. Tiết kiệm năng lượng hiệu quả: Năng lượng tiêu thụ trung bình của các nút giảm khoảng 20-35% nhờ việc lựa chọn nút chủ cụm dựa trên năng lượng còn lại và khoảng cách đến trạm gốc qua hệ thống suy luận mờ, giúp cân bằng tải năng lượng giữa các nút.

3. Phân bố nút chủ cụm đồng đều hơn: So với LEACH, giải pháp logic mờ đảm bảo phân bố nút chủ cụm đồng đều, tránh hiện tượng tập trung nút chủ cụm ở một vùng, giảm thiểu lỗ hổng năng lượng và tăng khả năng mở rộng mạng.

4. Giảm số bước nhảy trung bình: Số bước nhảy trung bình trong quá trình truyền dữ liệu giảm khoảng 15%, giúp giảm độ trễ truyền tin và tiêu hao năng lượng do truyền đa chặng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện là do việc áp dụng logic mờ cho phép xử lý các tham số đầu vào không chính xác và đa chiều, từ đó đưa ra quyết định chọn nút chủ cụm tối ưu hơn so với phương pháp ngẫu nhiên của LEACH. Kết quả mô phỏng được trình bày qua biểu đồ thời gian sống mạng và biểu đồ năng lượng tiêu thụ trung bình, cho thấy sự vượt trội rõ rệt của giải pháp đề xuất.

So sánh với các nghiên cứu trước đây sử dụng thuật toán di truyền (LEACH-GA) và thuật toán SOM, giải pháp logic mờ có ưu điểm về tính đơn giản trong tính toán và khả năng thích ứng với môi trường mạng biến động. Điều này phù hợp với các ứng dụng thực tế có điều kiện hoạt động không ổn định và yêu cầu cân bằng năng lượng cao.

Ý nghĩa của kết quả là mở ra hướng phát triển các giao thức phân cụm thông minh, có khả năng tự điều chỉnh dựa trên trạng thái mạng, góp phần nâng cao hiệu quả và độ bền của mạng cảm biến không dây trong các ứng dụng IoT.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai hệ thống suy luận mờ trong lựa chọn nút chủ cụm: Áp dụng thuật toán logic mờ để đánh giá năng lượng còn lại và khoảng cách đến trạm gốc nhằm chọn nút chủ cụm tối ưu, giảm tiêu thụ năng lượng và kéo dài thời gian sống mạng. Thời gian thực hiện: 6 tháng; Chủ thể: các nhà phát triển phần mềm mạng WSN.

2. Xây dựng mô hình mô phỏng và kiểm thử đa kịch bản: Thiết kế các mô hình mô phỏng mạng với các mật độ nút và vị trí trạm gốc khác nhau để đánh giá hiệu năng giải pháp trong thực tế. Thời gian: 3 tháng; Chủ thể: nhóm nghiên cứu và kỹ sư mô phỏng.

3. Tích hợp thuật toán phân cụm logic mờ vào phần cứng cảm biến: Phát triển firmware cho các nút cảm biến hỗ trợ tính toán logic mờ nhẹ, đảm bảo khả năng vận hành độc lập và hiệu quả. Thời gian: 9 tháng; Chủ thể: nhà sản xuất thiết bị cảm biến.

4. Đào tạo và phổ biến kiến thức về kỹ thuật phân cụm thông minh: Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo cho kỹ sư và nhà nghiên cứu về ứng dụng logic mờ và các thuật toán heuristic trong mạng WSN. Thời gian: liên tục; Chủ thể: các viện nghiên cứu, trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật viễn thông, mạng máy tính: Nắm bắt kiến thức chuyên sâu về kỹ thuật phân cụm và ứng dụng logic mờ trong mạng cảm biến không dây, phục vụ cho các đề tài nghiên cứu và luận văn.

2. Kỹ sư phát triển hệ thống IoT và WSN: Áp dụng các giải pháp phân cụm hiệu quả năng lượng để thiết kế và triển khai các hệ thống giám sát, điều khiển tự động trong công nghiệp, nông nghiệp và đô thị thông minh.

3. Nhà quản lý dự án công nghệ thông tin và viễn thông: Hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng mạng WSN, từ đó đưa ra các quyết định đầu tư và lựa chọn công nghệ phù hợp.

4. Các doanh nghiệp sản xuất thiết bị cảm biến và phần mềm mạng: Tham khảo các thuật toán và mô hình để phát triển sản phẩm có tính cạnh tranh cao, đáp ứng nhu cầu thị trường về mạng cảm biến không dây bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Phân cụm trong mạng WSN là gì và tại sao quan trọng?
   Phân cụm là kỹ thuật tổ chức các nút cảm biến thành các nhóm nhỏ với một nút chủ cụm chịu trách nhiệm truyền dữ liệu. Nó giúp giảm tiêu thụ năng lượng, cân bằng tải và kéo dài thời gian sống mạng, đặc biệt quan trọng trong mạng có số lượng nút lớn.

2. Logic mờ được ứng dụng như thế nào trong phân cụm WSN?
   Logic mờ xử lý các tham số đầu vào không chính xác như năng lượng còn lại và khoảng cách đến trạm gốc, từ đó đưa ra quyết định chọn nút chủ cụm tối ưu hơn so với phương pháp ngẫu nhiên, giúp cân bằng năng lượng và tăng hiệu quả mạng.

3. Giải pháp phân cụm dựa trên logic mờ có ưu điểm gì so với các thuật toán khác?
   Ưu điểm gồm tính đơn giản trong tính toán, khả năng thích ứng với môi trường mạng biến động, giảm độ phức tạp so với thuật toán di truyền hay mạng nơ-ron, đồng thời cải thiện thời gian sống mạng và tiết kiệm năng lượng.

4. Làm thế nào để đánh giá hiệu năng của các giải pháp phân cụm?
   Hiệu năng được đánh giá qua các chỉ số như thời gian sống mạng (thời điểm nút chết đầu tiên và cuối cùng), mức tiêu thụ năng lượng trung bình, số bước nhảy trung bình và khả năng mở rộng mạng. Các chỉ số này được mô phỏng và so sánh trong các kịch bản khác nhau.

5. Có thể áp dụng giải pháp này trong các ứng dụng thực tế nào?
   Giải pháp phù hợp với các hệ thống giám sát môi trường, điện lưới thông minh, giao thông thông minh, y tế từ xa và các ứng dụng IoT đòi hỏi mạng cảm biến hoạt động bền bỉ, tiết kiệm năng lượng và có khả năng tự điều chỉnh.

Kết luận

• Giải pháp phân cụm dựa trên logic mờ đã chứng minh khả năng cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây, kéo dài thời gian sống mạng từ 30-50% so với các giao thức truyền thống.
• Việc lựa chọn nút chủ cụm dựa trên các tham số mờ như năng lượng còn lại và khoảng cách đến trạm gốc giúp cân bằng tải năng lượng và giảm tiêu thụ năng lượng trung bình khoảng 20-35%.
• Phân bố nút chủ cụm đồng đều và giảm số bước nhảy trung bình góp phần nâng cao độ tin cậy và khả năng mở rộng của mạng.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển các giao thức phân cụm thông minh, thích ứng với môi trường mạng biến động và yêu cầu đa mục tiêu.
• Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực nghiệm trên phần cứng thực tế, mở rộng mô hình cho các mạng không đồng nhất và tích hợp các thuật toán heuristic khác để tối ưu hóa hơn nữa hiệu năng mạng.

Hành động khuyến nghị: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư phát triển mạng WSN nên áp dụng và thử nghiệm giải pháp logic mờ trong các dự án thực tế để nâng cao hiệu quả và độ bền của hệ thống mạng cảm biến không dây.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾNKHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây (WSN) là một trong các kiểu mạng phổ biến trong thời đại vạn vật kết nối Internet (IoT) đang phát triển hiện nay. Kết cấu của mạng thông qua một tập các nút cảm biến có kích thước nhỏ nhẹ, có nhiệm vụ thu thập các dữ liệu mà khả năng thực hiện của con người bị hạn chế. Các nút cảm biến có nhiệm vụ cảm nhận các tham số vật lý từ môi trường như: nhiệt độ, độ ẩm, các tham số về độ ô nhiễm môi trường ô nhiễm không khí sau đó thực hiện việc chuyển dữ liệu đến nút gốc để có thể phân tích và xử lý dữ liệu. Nút gốc như là một phần tử trung gian giúp con người có thể nhận được các dữ liệu mong muốn thông qua việc truy vấn mà nút gốc đã thu được từ mạng cảm biến.

Với một mạng cảm biến chúng ta có thể triển khai ở mọi địa hình thậm chí đến những địa hình khó khăn hiểm trở và khắc nhiệt nhất…Mạng cảm biến thường bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến và chúng truyền thông, giao tiếp với nhau thông qua tín hiệu vô tuyến. Mỗi nút thì được trang bị các đầu đo với bộ vi xử lý và các thiết bị vô tuyến rất nhỏ gọn tạo nên một thiết bị cảm biến không dây có kích thước rất nhỏ, tiết kiệm về không gian và chi phí. Các nút cảm biến có thể hoạt động trong môi trường dày đặc với tốc độ xử lý cao. Ngày nay, công nghệ ngày càng phát triển mạng cảm biến không dây dần trở nên quan trọng và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở các chất gây ô nhiễm, kiểm tra giám sát hệ sinh thái và môi trường sinh vật phức tạp, điều khiển giám sát trong công nghiệp và trong lĩnh vực quân sự, an ninh quốc phòng hay các ứng dụng trong đời sống hàng ngày.

Mạng cảm biến không dây cho phép triển khai với những ứng dụng mới phù hợp với sự phát triển của các hiết bị hiện đại và cũng chỉ yêu cầu những giao thức đơn giản vì các nút còn đang hạn chế về năng lực. Do yêu cầu về độ phức tạp thấp và mức năng lượng tiêu thụ thấp nên cần phải đưa ra sự cân bằng giữa khả năng truyền dữ liệu và khả năng xử lý dữ liệu. Điều này đã thúc đẩy sự nỗ lực lớn trong hoạt động nghiên cứu, quy trình chuẩn hóa và đầu tư công nghiệp vào lĩnh vực này kể từ các thập kỉ trước. Hiện tại, hầu hết các nghiên cứu về mạng WSN đều chỉ tập trung vào việc thiết kế thuật toán và giao thức để tạo ra hiệu quả về năng lượng và tính toán còn phần mềm ứng dụng thì giới hạn bởi các chức năng xoay quanh việc giám sát và thông báo.2 Các giao thức truyền dẫn và định tuyến trong mạng WSN Việc thiết kế các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây phải xem xét giới hạn về công suất và tài nguyên môi nút mạng, chất lượng thay đổi theo thời gian của các kênh vô tuyến và khả năng mất gói và trễ.

Nhằm vào các yêu cầu thiết kẻ này một số các chiến lược định tuyến trong mạng cảm biến không dây đã được đưa ra. Loại giao thức định tuyến thông qua kiến trúc phẳng trong đó các nút có vai trò như nhau. Kiến trúc phẳng có một vài lợi ích như:số lượng thông tin tiêu đề tối thiểu để duy trì kết nối và đem lại khả năng khám phá ra nhiều đường giữa các nút truyền dẫn để chống lỗi truyền dẫn. Loại giao thức định tuyến phân cấp theo cụm nhằm tận dụng cấu trúc của mạng để đạt được hiệu quả về năng lượng, sự ổn định, mở rộng trong quá trình định tuyến.

Trong loại giao thức này, các nút mạng tự tổ chức thành các cụm.Trong đó một nút có mức năng lượng cao hơn các nút khác đóng vai trò là các nút chủ (cluster head). Nút chủ thực hiện phân phối hoạt động trong cụm và chuyển tiếp thông tin giữa các cụm khác nhau. Việc tạo thành các cụm có khả năng làm giảm thiểu năng lượng và mở rộng thời gian sống của mạng. Loại giao thức định tuyến thứ ba là sử dụng phương pháp trung tâm dữ liệu để khai thác trực tiếp nhu cầu kết nối bên trong mạng.

Phương pháp này sử dụng các thuộc tính của nút yêu cầu định tuyến để truy vấn khả năng đáp ứng của các nút trung gian. Loại giao thức thứ tư là dựa vào vị trí để đánh địa chỉ cho các nút cảm biến trong vùng địa lý được bao phủ bởi mạng. Quá trình định tuyến và truy vấn thông tin được đưa ra bởi nút nguồn.1 dưới đây mô tả các giao thức định tuyến được phân loại theo hướng nút trung tâm, hướng dữ liệu, hướng nguồn và hướng đích. Trong đó, ta tập trung vào hai kiểu giao thức đầu vì tính tổng quát và sự phổ biến của chúng.1: Các loại giao thức định tuyến cơ bản Luan van 6 1.1 Giao thức định tuyến nút trung tâm Trong các giao thức định tuyến nút trung tâm, nút đích được liên kết với một số định danh và các nút trong mạng có nhiệm vụ định tuyến gửi dữ liệu đến nút đích từ đó hình thành nên mô hình mạng phân cụm(Ví dụ nhưgiao thức định tuyến phân cụm tương thích năng lượng thấp LEACH: Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy).

LEACH là một giao thức định tuyến tổ chức các cụm sao cho năng lượng được chia đều cho tất cả các nút cảm biến trong mạng. Trong giao thức LEACH, một số cụm được tạo ra từ các nút cảm biến và một nút được xác định là đầu cụm và đóng vai trò là nút định tuyến cho tất cả các nút khác trong cụm. Như trong các giao thức định tuyến, đầu cụm được chọn trước khi toàn bộ giao tiếp bắt đầu và giao tiếp không thành công nếu có bất kỳ sự cố nào xảy ra trong đầu cụm và có nhiều khả năng pin chết trước đó so với các nút khác trong cụm là cụm sửa chữa người đứng đầu đang làm nhiệm vụ định tuyến cho toàn bộ cụm. Giao thức LEACH áp dụng ngẫu nhiên và đầu cụm được chọn từ nhóm các nút, vì vậy lựa chọn đầu cụm này từ một số nút trên cơ sở tạm thời làm cho giao thức này tồn tại lâu hơn vì pin của một nút không bị gánh nặng lâu.

Các nút cảm biến tự chọn làm đầu cụm với một số tiêu chí xác suất được xác định bởi giao thức và thông báo điều này cho các nút khác 1.2 Giao thức định tuyến dữ liệu trung tâm Trong hầu hết các mạng cảm biến không dây, dữ liệu hoặc thông tin được cảm nhận có giá trị hơn nhiều so với chính nút thực tế. Do đó, các kỹ thuật định tuyến tập trung vào dữ liệu, trọng tâm chính là truyền thông tin được chỉ định bởi các thuộc tính nhất định thay vì thu thập dữ liệu từ các nút nhất định. Trong giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu, các truy vấn nút chìm đến các vùng cụ thể để thu thập dữ liệu của một số đặc điểm cụ thể, vì vậy việc đặt tên theo sơ đồ dựa trên các thuộc tính là cần thiết để mô tả các đặc điểm của dữ liệu. Ví dụ như giao thức SPIN(Sensor Protocol for Information via Negotiation).

SPIN là tên viết tắt của giao thức cảm biến cho thông tin thông qua việc dàn xếp dữ liệu. Mục tiêu chính của giao thức này đó là việc tập trung quan sát môi trường có hiệu quả bằng một số các nút cảm biến riêng biệt trong toàn bộ mạng. Nguyên lý của giao thức này đó là sự thích ứng về tài nguyên và sắp xếp dữ liệu. Ý nghĩa của việc sắp xếp dữ liệu này là các nút trong SPIN sẽ biết nội dung của dữ liệu trước khi bất kì dữ liệu nào được truyền trong mạng.

SPIN khai thác đặc trưng dữ liệu của các nút sẽ kết hợp mô tả dữ liệu metadata với dữ liệu mà chúng tạo ra, và sử dụng sự mô tả này để thực hiện việc dàn xếp dữ liệu trước khi truyền Luan van 7 thực tế. Nơi nhận dữ liệu có thể chỉ ra mối quan tâm đến nội dung dữ liệu bằng các gửi yêu cầu để lấy được dữ liệu quảng bá. Điều này tạo ra sự sắp xếp dữ liệu đảm bảo rằng dữ liệu chỉ được truyền đến nút quan tâm đến loại dữ liệu này. Do đó mà loại trừ khả năng bản tin kép và giảm thiểu đáng kể việc truyền dữ liệu dư thừa qua mạng.Ngoài ra có một số giao thức tương tự như giao thức khởi tạo nguồn và giao thức khởi tạo đích nhưng việc ứng dụng là ít hơn nhiều so với hai kiểu trên đây.3 Một số ứng dụng điển hình Mạng WSN đã và đang trở nên phổ biến do tính linh hoạt để giải quyết các vấn đề trong các lĩnh vực ứng dụng khác nhau.

Trong mục này sẽ đề cập tới các lĩnh vực ứng dụng phổ biến của mạng cảm biến không dây.1 Trong quân sự Các ứng dụng mạng cảm biến trong quân sự gồm: Giám sát trang thiết bị vũ khí, khảo sát chiến trường, Quân đội, dò tấn công bằng vũ khí hạt nhân, sinh học, hóa học của quân địch. Giám sát lực lượng, trang thiết bị và đạn dược Các nhà lãnh đạo, Sĩ quan theo dõi liên tục trạng thái lực lượng Quân đội, các thiết bị và đạn dược trong chiến trường bằng việc sử dụng mạng cảm biến. Quân đội, xe cộ, trang thiết bị và đạn dược có thể gắn liền với các thiết bị cảm biến nhỏ để có thể thông báo về trạng thái. Các báo cáo được tập hợp lại tại các nút gốc để gửi tới Lãnh đạo trong Quân đội, dữ liệu cũng có thể được chuyển tiếp đến các cấp cao hơn.

Giám sát địa hình và lực lượng quân địch Mạng cảm biến được triển khai ở những địa hình then chốt và một vài nơi quan trọng, các nút cảm biến cần nhanh chóng cảm nhận các dữ liệu và tập trung dữ liệu gửi về trong vài phút trước khi quân địch phát hiện để ngăn chặn lại chúng. Giám sát chiến trường Với địa hình hiểm trở, các tuyến đường, đường mòn và các chỗ eo hẹp có thể nhanh chóng được bao phủ bởi mạng cảm biến và theo dõi các hoạt động của quân địch. Khi các hoạt động này được mở rộng và kế hoạch hoạt động mới có thể được triển khai ở bất cứ thời gian nào khi theo dõi chiến trường.