Chương 1 liên quan đến tìm kiếm giải pháp đáp ứng đa sự kiện sự kiện trong WSN đã được trình bày trong tạp chí [J1]. Chương 2 “Cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây đa sự kiện sử dụng giao thức định tuyến linh hoạt”. Chương này tìm hiểu và nghiên cứu một số giải pháp định tuyến linh hoạt theo sự kiện trong mạng cảm biến. Từ đó đưa ra hai luan an 5 đề xuất: (1) đề xuất giao thức định tuyến DRPDS kết hợp định tuyến linh hoạt theo mức độ ưu tiên của sự kiện với cơ chế truyền gói tin theo kiểu sự kiện khác nhau để đáp ứng những yêu cầu QoS khác biệt của các sự kiện có mức ưu tiên khác nhau và (2) đề xuất giải thuật định tuyến EARPM là phiên bản cải tiến từ giải thuật DRPDS với giải thuật định tuyến phát triển dựa trên việc nhận thức năng lượng còn lại kết hợp với tính toán khoảng cách để nâng cao hiệu quả tiêu thụ năng lượng nhằm kéo dài thời gian sống của mạng.
Đóng góp mới của luận án trong chương này là đề xuất 02 giải pháp cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây đa sự kiện có tên là DRPDS và EARPM, phân tích toán về hiệu quả của việc truyền nhân tải lên đa đường làm tăng độ tin cậy của việc truyền gói tin và truyền san tải lên đa đường làm giảm thời gian trễ của gói tin trong điều kiện mạng có nghẽn. Cuối cùng là sử dụng công cụ mô phỏng số OMNeT++ để đối sánh với phương pháp định tuyến trước đây là GPSR [73]. Nội dung của Chương 2 liên quan đến giải pháp đề xuất đã được công bố trong 02 bài báo đăng trên tạp chí JSTIC [J1, J2], 01 bài báo đăng trên tạp chí Khoa học và Công nghệ Quân sự [J3] và báo cáo tại 02 hội nghị quốc tế [C1, C2]. Chương 3 “Cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây đa sự kiện sử dụng giao thức MAC ưu tiên”.
Chương này tìm hiểu và phân tích các giao thức MAC trong mạng cảm biến không dây và nghiên cứu giải pháp ưu tiên của hai giao thức MAC có xét nhiều mức ưu tiên dữ liệu khác nhau là QAEE [76] và MPQ [114]. Hai giao thức này đã phân biệt và ưu tiên từ 2 tới 4 mức độ khác nhau cho gói tin trong mạng, tuy nhiên việc ưu tiên vẫn còn cứng nhắc và không thực tế với mạng cảm biến đa sự kiện có nhiều sự kiện có thể xuất hiện với số sự kiện ngẫu nhiên. Chính vì thế, nghiên cứu sinh đã nghiên cứu và đề xuất thay đổi tham số p trong CSMA p-persistent theo mức độ ưu tiên của gói tin dữ liệu, đồng thời với việc thay đổi cơ chế nhận sớm Tx-Beacon ở lớp MAC. Đóng góp mới của luận án trong chương này là đề xuất giải pháp cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây đa sự kiện sử dụng giao thức MAC có tên là PMME.
Cuối cùng là sử dụng công cụ mô phỏng số Castalia để đối sánh với hai giao thức QAEE và MPQ. Kết quả cho thấy PMME giúp mạng hoạt động hiệu quả hơn với việc giảm trễ truyền dữ liệu, tăng luan an 6 hiệu quả sử dụng năng lượng mà vẫn đảm bảo tỷ lệ truyền gói thành công cao. Các đóng góp của luận án được trình bày trong chương này được công bố trong 01 bài báo đăng trên tạp chí Khoa học và Công nghệ Quân sự [J4], 01 hội nghị trong nước [C3] và 01 hội nghị quốc tế [C4]. Trong phần Kết luận, luận án tóm tắt các kết quả nghiên cứu chính của luận án và đưa ra những gợi mở cho những nghiên cứu tiếp theo.
luan an 7 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Tóm tắt (1): Nội dung của chương trình bày tổng quan về mạng cảm biến không dây và các giao thức lớp định tuyến và MAC sử dụng trong mạng này. Các tham số hiệu năng trong mạng cảm biến không dây cũng được giới thiệu trong chương. Mục tiêu chính của chương sẽ tập trung khảo sát các nghiên cứu liên quan đến cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây đa sự kiện để từ đó tìm ra các hạn chế của các nghiên cứu trước đây và từ đó đề xuất hướng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu và phương thức tiếp cận của luận án.1 MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ĐA SỰ KIỆN Nút quản lý nhiệm vụ Internet và Yêu cầu QoS ứng dụng: vệ tinh - Độ trễ thấp - Độ tin cậy cao Người sử - Thông lượng cao dụng Yêu cầu của WSN: - Sử dụng hiệu quả năng lượng Sự kiện 1 QoS1 Sự kiện 2 QoS2 Sin SINK Sự kiện n QoSn Sự kiện 3 QoS3 Các nút Trường cảm biến cảm biến Hình 1.1: Mạng cảm biến không dây đa sự kiện với những ứng dụng yêu cầu đa dạng về chất lượng Mạng cảm biến không dây đa sự kiện (như mạng cảnh báo cháy rừng, mạng cảm biến trong nhà thông minh …) là mạng cảm biến không dây trong đó các nút 1 Một phần nội dung của Chương 1 đã được công bố trong Tạp chí Khoa học công nghệ thông tin và truyền thông (JSTIC) 2016 [J1]. luan an 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 luan an 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.