Luận văn: Giảm nghẽn dữ liệu trong IoT sử dụng giao thức DMAC

Luận văn nghiên cứu giao thức DMAC, giải pháp hiệu quả giúp giảm nghẽn dữ liệu và tiết kiệm năng lượng cho mạng cảm biến không dây trong hệ thống IoT.

• Tác giả: Nguyễn Trung Kiên
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Hữu Phát
• Trường học: Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn Thông
• Đề tài: Giảm nghẽn dữ liệu trong IoT
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Nghẽn Dữ Liệu trong IoT

Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ Internet of Things (IoT) và mạng cảm biến không dây, việc quản lý lưu lượng dữ liệu trở nên vô cùng quan trọng. Nghẽn dữ liệu trong IoT xảy ra khi lượng dữ liệu gửi từ các node cảm biến vượt quá khả năng xử lý và truyền tải của mạng. Vấn đề này dẫn đến độ trễ cao, mất mát dữ liệu và tiêu hao năng lượng không cần thiết. Các mạng cảm biến không dây hiện nay phải xử lý hàng triệu thiết bị IoT hoạt động đồng thời, tạo ra áp lực lớn cho hạ tầng truyền thông. Do đó, việc tìm kiếm giải pháp giảm nghẽn dữ liệu hiệu quả là một thách thức quan trọng trong lĩnh vực IoT hiện nay.

1.1. Nguyên nhân gây ra Nghẽn Dữ Liệu

Nghẽn dữ liệu trong IoT chủ yếu phát sinh từ việc nhiều thiết bị cảm biến cùng gửi dữ liệu một lúc, vượt quá bandwidth của kênh truyền. Ngoài ra, các giao thức MAC truyền thống không được tối ưu hóa cho cấu trúc đặc biệt của mạng cảm biến. Sự chồng chéo trong quá trình truyền nhận dữ liệu (collision) cũng làm tăng thêm tình trạng nghẽn.

1.2. Tác động của Nghẽn Dữ Liệu

Khi xảy ra tình trạng nghẽn, hệ thống IoT gặp phải độ trễ truyền tải cao, giảm thông lượng dữ liệu, và mất mát thông tin quan trọng. Hơn nữa, các node cảm biến phải tiêu tốn năng lượng pin nhiều hơn để chờ đợi và truyền lại dữ liệu, rút ngắn tuổi thọ của thiết bị.

II. Tổng Quan về Giao Thức DMAC Data Gathering Medium Access Control

Giao thức DMAC (Data Gathering Medium Access Control) là một giao thức MAC tiết kiệm năng lượng được thiết kế đặc biệt cho các mạng cảm biến không dây có cấu trúc cây thu thập dữ liệu. Khác với các giao thức MAC truyền thống như SMAC hay CSMA/CA, DMAC tập trung vào việc giảm thời gian chờ đợi và xung đột trên kênh truyền. Giao thức này sử dụng một lịch trình truyền dữ liệu theo kiểu pipeline từ các node lá về node gốc, giảm đáng kể thời gian nghẽn. DMAC được xây dựng dựa trên cấu trúc cây tính toán, trong đó mỗi node có một vai trò cụ thể trong quá trình thu thập và chuyển tiếp dữ liệu.

2.1. Nguyên lý Hoạt Động của DMAC

DMAC hoạt động bằng cách chia thời gian thành các khe thời gian (time slot) cố định. Mỗi node được gán một slot thời gian riêng để gửi dữ liệu, loại bỏ khả năng xung đột giữa các node lân cận. Dữ liệu được truyền đạt từ các node lá (leaf) lên node gốc (sink) theo hình thức đường ống (pipeline), cho phép các node xử lý và chuyển tiếp dữ liệu đồng thời.

2.2. Ưu Điểm So Với SMAC

So với SMAC (Sensor-MAC), DMAC giảm đáng kể độ trễ truyền tải và tiêu hao năng lượng. DMAC cho phép các node ở các tầng khác nhau hoạt động đồng thời mà không cần phải duy trì chu kỳ ngủ thức như SMAC, dẫn đến hiệu suất thu thập dữ liệu cao hơn.

III. Giải Pháp và Kỹ Thuật Giảm Nghẽn Dữ Liệu

Để giải quyết vấn đề nghẽn dữ liệu trong IoT, các nhà nghiên cứu đã đề xuất nhiều giải pháp và kỹ thuật khác nhau. Ngoài DMAC, các phương pháp khác như điều chỉnh tốc độ dữ liệu (rate adjustment), xếp hàng thông minh (intelligent queuing), và lập lịch trình động (dynamic scheduling) cũng được áp dụng. Mỗi giải pháp có những ưu và nhược điểm riêng, tùy thuộc vào cấu trúc mạng, số lượng node, và yêu cầu về độ trễ. Việc lựa chọn giao thức phù hợp là chìa khóa để tối ưu hóa hiệu suất mạng cảm biến.

3.1. Kỹ Thuật Lập Lịch Trình Dữ Liệu

Lập lịch trình dữ liệu là kỹ thuật cơ bản trong DMAC, giúp định rõ thời gian gửi dữ liệu của mỗi node. Bằng cách sắp xếp hợp lý các slot thời gian, các node có thể truyền dữ liệu mà không xung đột, giảm nhu cầu truyền lại và tiết kiệm năng lượng pin.

3.2. Quản Lý Băng Thông Thông Minh

Việc quản lý băng thông hiệu quả giúp phân bổ tài nguyên truyền dữ liệu một cách tối ưu giữa các node. Các kỹ thuật như QoS (Quality of Service) và traffic shaping được áp dụng để đảm bảo dữ liệu quan trọng được ưu tiên truyền đạt trong tình huống nghẽn.

IV. Kết Quả Mô Phỏng và Đánh Giá Hiệu Quả

Các kết quả mô phỏng DMAC cho thấy giao thức này có hiệu quả vượt trội trong việc giảm thời gian nghẽn so với các giao thức MAC truyền thống. Khi so sánh với SMAC, DMAC giảm độ trễ truyền tải từ 30-50% tùy theo mật độ và kích thước mạng cảm biến. Ngoài ra, tiêu hao năng lượng của các node cũng giảm đáng kể vì lượng dữ liệu phải truyền lại giảm. Các thí nghiệm mô phỏng trên các topology mạng khác nhau (cây, lưới) đều xác nhận hiệu quả của DMAC trong các tình huống thực tế.

4.1. Chỉ Số Hiệu Suất Chính

Các chỉ số đánh giá bao gồm thông lượng dữ liệu (throughput), độ trễ trung bình (average latency), tỷ lệ mất gói (packet loss rate), và tiêu hao năng lượng (energy consumption). DMAC đạt được cân bằng tốt giữa các chỉ số này, đặc biệt là giảm độ trễ và tỷ lệ mất gói so với SMAC.

4.2. Nhận Xét và Hạn Chế

Mặc dù DMAC hiệu quả, nó vẫn có những hạn chế như yêu cầu kiến thức chính xác về cấu trúc mạng trước khi triển khai. Khả năng thích ứng của DMAC với các thay đổi động trong mạng cũng cần được cải thiện thêm để ứng dụng trong các tình huống thực tế phức tạp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 giới thiệu Tổng quan về Internet of Things, làm rõ khái niệm Internet of Things (IoT), chứng minh tính tất yếu của IoT trong tương lai, các vấn đề gặp phải khi ứng dụng IoT và các lĩnh vực ứng dụng IoT. Internet of Things được hiểu là mọi thức bao gồm cả con người được cung cấp một định danh riêng và kết nối với nhau, thực hiện truyền tải, trao đổi thông tin qua mạng duy nhất. Đặc biệt là quá trình diễn ra một các tự động, không cần đến sự can thiệp trực tiếp của con người. Mặc dù IoT vẫn đang trong giai đoạn mới bắt đầu được áp dụng triển khai nhưng phạm vi ứng dụng của nó vô cùng lớn và ngày càng mở rộng ra nhiều lĩnh vực.

Thông tin trở thành yếu tố không thể thiếu, giúp con người đổi mới, hoàn thiện các quy trình và phương pháp sản xuất hiện hành, phát triển kinh tế và nâng cao sức sản xuất Trong tương lai, mọi thứ trở nên thông minh hơn do đó IoT trở thành xu hướng. Tuy nhiên, khi ứng dụng IoT không tránh khỏi những lo ngại về vấn đề địa chỉ IP, bảo mật, khả năng truyền tải dữ liệu, năng lượng tiêu thụ, khả năng mở rộng mạng, bộ tiêu chuẩn chung và khả năng quản lý kết nối. Trên đây là những nội dung cơ bản về IoT là cơ sở để đề tài nghiên cứu Giảm nghẽn dữ liệu trong IoT. Nguyễn Trung Kiên – CA180269 24 Luận văn tốt nghiệp CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Nội dung trong chương này giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây, các thành phần cấu tạo, chức năng và ứng dụng của mạng cảm biến không dây.

Giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến hay còn gọi là mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) là sự kết hợp các khả năng cảm biến, xử lý thông tin và các thành phần liên lạc để tạo khả năng quan sát, phân tích và phản ứng lại với các sự kiện, hiện tượng xảy ra trong môi trường cụ thể nào đó.1: Mô hình mạng cảm biến không dây Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây bao gồm thu thập dữ liệu, giám sát, theo dõi, và các ứng dụng trong y học. Tuy nhiên ứng dụng của mạng cảm biến không dây tùy theo yêu cầu sử dụng còn rất đa dạng và không bị giới hạn. Có bốn thành phần cơ bản cấu tạo nên một mạng cảm biến:  Các cảm biến được phân bố theo mô hình tập trung hoặc phân bố rải.  Mạng lưới liên kết giữa các cảm biến (có dây hay vô tuyến).

 Điểm trung tâm tập hợp dữ liệu (Cluster head).  Bộ phận xử lí dữ liệu ở trung tâm. Một node cảm biến được định nghĩa là sự kết hợp cảm biến và bộ phận xử lí. Nguyễn Trung Kiên – CA180269 25 Luận văn tốt nghiệp Mạng cảm biến không dây (WSNs) là mạng cảm biến trong đó các kết nối giữa các node cảm biến bằng sóng vô tuyến.

Phân loại mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây phân ra thành 2 loại, theo mô hình kết nối và định tuyến mà các node đang sử dụng:  Loại 1 (C1WSNs) Hệ thống lưới kết nối đa đường giữa các node qua kênh truyền vô tuyến sử dụng giao thức định tuyến động, các node tìm đường đi tốt nhất đến đích. Vai trò của các node như các trạm lặp với khoảng cách rất lớn. Xử lý dữ liệu ở các node chuyển tiếp  Loại 2 (C2WSNs) Mô hình đa điểm hay điểm – điểm, chủ yếu là các liên kết đơn giữa các node (single hop) Dùng giao thức định tuyến tĩnh Một node không cung cấp thông tin cho các node khác. Node chuyển tiếp không có khả năng xử lí dữ liệu cho node khác.

Hệ thống mạng tương đối đơn giản. Nguyễn Trung Kiên – CA180269 26 Luận văn tốt nghiệp 2. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây - Các node phân bố dày đặc. - Các node dễ hư hỏng.

- Giao thức mạng thay đổi thường xuyên. - Node bị giới hạn về khả năng tính toán, công suất, bộ nhớ. Các chỉ tiêu của mạng cảm biến không dây  Thời gian sống Các node mạng thường đặt ngoài môi trường không có người quan sát theo dõi nên yếu tố chủ yếu giới hạn thời gian sống là năng lượng cung cấp. Hầu hết các node đều tự cấp nguồn, một số các node đặc biệt được cấp nguồn ngoài.

Mỗi node được thiết kế cơ chế quản lí năng lượng nội bộ để có thể tối đa thời gian sống. Cấu hình ngủ/thức cho mỗi node mạng sau mỗi khoảng thời gian nhất định để tiết kiệm năng lượng.  Độ bao phủ Độ bao phủ cũng là yếu tố đánh giá mạng cảm biến không dây. Về mặt lí thuyết chúng có khả năng mở rộng vô hạn.

Tuy nhiên trong một khoảng cách truyền xác định kĩ thuật truyền “multi-hops” sẽ làm tăng năng lượng tiêu thụ giữa các node và làm giảm thời gian sống của mạng. Tăng số lượng các node cảm biến trong hệ thống thì càng có nhiều dữ liệu được truyền và làm tăng năng lượng tiêu hao của mạng. Nguyễn Trung Kiên – CA180269 27 Luận văn tốt nghiệp  Chi phí và triển khai Ưu điểm của mạng cảm biến không dây là dễ triển khai. Trong suốt thời gian sống có thể thay đổi vị trí giữa các node, mạng cần có khả năng tự cấu hình lại để khắc phục nhược điểm này.

 Thời gian và đáp ứng Trong các ứng dụng cảnh báo thời gian đáp ứng là một thông số quan trọng. Một cảnh báo cần được tạo ra ngay lập tức khi nhận thấy có một sự vi phạm. Khả năng có thời gian đáp ứng ngắn xung đột với kĩ thuật kéo dài thời gian sống của mạng.  Độ chính xác về thời gian Trong ứng dụng theo dõi đối tượng và giám sát môi trường các mẫu từ nhiều node có liên quan theo thời gian để xác định các hiện tượng khác thường được theo dõi.

 Tốc độ lấy mẫu hiệu quả Tốc độ thu thập thông tin hiệu quả là số mẫu lấy được từ mỗi nút riêng lẻ và truyền về điểm thu thập trung tâm. Tốc độ và kích thước mạng ảnh hưởng đến tốc độ lấy mẫu hiệu quả Một cơ chế để tăng tốc độ lấy thông tin là truyền dữ liệu thô và xử lí dữ liệu nội mạng.  Bảo mật Trong các ứng dụng an ninh dữ liệu bảo mật trở nên rất quan trọng. Không chỉ duy trì tính bí mật, nó còn phải có khả năng xác thực dữ liệu truyền.

Việc mã hóa và giải mã sẽ làm tăng chi phí về năng lượng và băng thông. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây WSN bao gồm các node cảm biến nhỏ. Thích ứng được môi trường khắc nghiệt. Những node cảm biến này, cảm nhận được môi trường xung quanh, sau đó gửi những thông tin thu được đến trung tâm để xử lý theo ứng dụng.

Các node không những có thể liên lạc với các node xung quanh nó, mà còn có thể xử lý dữ liệu thu được trước khi gửi đến các node khác. WSN cung cấp rất nhiều các ứng dụng hữu ích ở nhiều lĩnh vực trong cuộc sống. Sau đây là các ứng dụng phổ biến nhất của mạng cảm biến không dây: Nguyễn Trung Kiên – CA180269 28 Luận văn tốt nghiệp  Ứng dụng trong bảo vệ môi trường Phát hiện mìn, chất độc trong môi trường Giám sát lũ lụt, bão, gió, mưa… Phát hiện ô nhiễm, chất thải Phát hiện hoạt động của núi lửa Phát hiện động đất Giám sát cháy rừng  Ứng dụng trong giao thông thông minh Giao tiếp giữa biển báo và phương tiện giao thông Hệ thống điều tiết lưu lượng công cộng Hệ thống báo hiệu tai nạn, kẹt xe, … Hình 2.2: Ứng dụng trong định vị phương tiện giao thông [12]  Ứng dụng trong y tế Định vị theo dõi bệnh nhân Hệ thống báo động khẩn cấp Cảm biến gắn trực tiếp lên cơ thể con người Phân tích nồng độ các chất Chăm sóc sức khỏe Hỗ trợ chăm sóc bệnh nhân Nguyễn Trung Kiên – CA180269 29 Luận văn tốt nghiệp Hình 2.3: Ứng dụng trong y tế [12]  Ứng dụng trong thương mại Quản lý kiến trúc và xây dựng Quản lý sản xuất Hệ thống xử lý vật liệu Quản lý tải trong tiêu thụ điện năng Điều khiển nhiệt độ Hệ thống tự động Thu thập dữ liệu thời gian thực Hình 2.4: Ứng dụng trong công nghiệp [12] Nguyễn Trung Kiên – CA180269 30 Luận văn tốt nghiệp 2. Tổng quan về kĩ thuật mạng cảm biến không dây 2.

Node cảm biến  Chức năng cơ bản Chức năng cơ bản của các node trong mạng cảm biến không dây phụ thuộc vào ứng dụng của nó, một số chức năng chính: - Xác định được giá trị các thông số tại nơi lắp đặt. Có thể trả về nhiệt độ, áp suất, cường độ ánh sáng…. - Phát hiện sự tồn tại của các sự kiện cần quan tâm và ước lượng các thông số của sự kiện đó. Như mạng WSNs dùng trong giám sát giao thông, cảm biến phải nhận biết được sự di chuyển của xe cộ, đo được tốc độ và hướng đi của các phương tiện đang lưu thông.

- Phân biệt các đối tượng. Ví dụ phương tiện giao thông mà cảm biến nhận biết được là gì, xe con, xe tải, hay xe buýt. - Theo dấu các đối tượng. Ví dụ trong mạng WSN quân sự, mạng cảm biến phải cập nhật được vị trí các phương tiện của đối phương khi chúng di chuyển trong vùng bao phủ của mạng.

 Các thành phần cấu tạo node cảm biến Các thành phần cấu tạo nên một node trong mạng cảm biến như hình 2.1 bao gồm: - Một cảm biến (có thể là 1 dãy cảm biến) và đơn vị thực thi (nếu có). - Đơn vị liên lạc vô tuyến. - Nguồn cung cấp. - Các phần ứng dụng khác …… Nguyễn Trung Kiên – CA180269 31 Luận văn tốt nghiệp Hình 2.5: Cấu tạo nút cảm biến [11]  Môi trường hoạt động của node cảm biến - Nguồn cung cấp: Các node bị giới hạn bởi năng lượng cung cấp, việc sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng là chìa khóa cho các thiết kế trong mạng WSNs.

- Liên lạc: Mạng vô tuyến thường bị giới hạn về băng thông, nhiễu kênh truyền. Các yếu tố này ảnh hưởng đến độ tin cậy, chất lượng dịch vụ và độ bảo mật của hệ thống. - Tính toán: các node có công suất và bộ nhớ giới hạn. Điều này ảnh hưởng đến việc lựa chọn giải thuật xử lý dữ liệu hoạt động tại node.

- Sự không chắc chắn các thông số: Dữ liệu cần thu thập có thể kèm theo nhiễu từ môi trường. Sự hư hỏng các node có thể làm sai dữ liệu. Sự sắp đặt các node gây sai lệch hoạt động của node.