Chương 1 trình bày tổng quan về mạng cảm biến không dây làm cơ sở lý thuyết của luận án. - Phần tiếp theo chương 2 và chương 3 được trình bày các công trình liên quan đến kỹ thuật định tuyến phân cụm dựa trên mô hình sink tĩnh và mô hình sink động. Trong đó, trong chương 2 sẽ tập trung giải quyết việc tiết kiệm năng lượng dựa vào kỹ thuật phân cụm, giải pháp lựa chọn cụm chủ tối ưu dựa vào cách tìm đường đi ngắn nhất và logic mờ trên mô hìn sink tĩnh. Chương 3 cũng sẽ sử dụng kỹ thuật phân cụm nhưng trên mô hình Sink di động để các cụm chủ chuyển dữ liệu đến Sink một cách nhanh nhất.
Phần đánh giá hiệu suất của các đề xuất được thực hiện thông qua công cụ Matlab. Đồng thời, cuối mỗi chương là phần kết luận để tổng kết lại vấn đề đã được giải quyết và chưa giải quyết được của đề xuất. - Cuối cùng là phần kết luận, tổng kết lại những đóng góp của luận án, đánh giá những mặt đạt được và chưa đạt được của luận án. Đồng thời, đề xuất hướng phát triển của nghiên cứu này.
TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Để đưa ra được các giải pháp tiết kiệm năng lượng, việc hiểu và phân tích được những vấn đề quan trọng của mạng cảm biến không dây đã được nghiên cứu là bước đầu để tìm ra những giải pháp về việc tiết kiệm năng lượng. Giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây Hệ thống mạng không dây nói chung và mạng di động nói riêng có sự phát triển đặc biệt nhanh, mang tính cách mạng trong vài thập kỷ gần đây. Việc phát triển và ứng dụng công nghệ 5G (IoTs - Internet vạn vật) được đánh giá không những là nhân tố thay đổi mà còn mang lại những cơ hội lớn trên nhiều lĩnh vực, từ kinh tế, xã hội đến quân sự đối với các quốc gia trên thế giới. Dựa trên nền tảng 5G sẽ tạo ra những ngành kinh tế mới, mang lại lợi nhuận lớn.
Đồng thời, nó là chìa khóa để chúng ta đi vào thế giới Mạng lưới vạn vật kết nối Internet (IoTs), trong đó các bộ cảm biến là những yếu tố quan trọng để trích xuất dữ liệu từ các đối tượng và từ môi trường [15] [16], [17], [18], [19]. Việc nghiên cứu những mạng cho giá thành rẻ tiêu thụ ít năng lượng, đa chức năng, dễ mở rộng và hoạt động một cách dễ dàng đang được tập trung nghiên cứu. Trong đó việc nghiên cứu về mạng cảm biến đang được phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là hệ thống mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) Mạng cảm biến không dây WSN [20] là một mạng bao gồm nhiều nút cảm biến (sensor node) được trang bị các nút cảm biến có khả năng cảm biến môi trường như cảm biến độ ẩm, ánh sáng, nhiệt độ… và có khả năng giao tiếp không dây với các nút còn lại tạo thành một mạng cảm biến không dây phủ sóng một vùng nào đó nhằm giám sát, theo dõi và quản lý vùng đó. Thông tin thu được từ một nút cảm biến sẽ được truyền về một trạm gốc (sink-base station) thông qua các nút cảm biến khác, thông qua Internet rồi truyền về trung tâm dữ liệu để lưu trữ, phân tích và xử lý.
7 Internet và vệ tinh Sink Nút cảm biến Hình 1-1: Một mạng cảm biến không dây điển hình Mạng cảm biến không dây cho phép kết nối nhiều ứng dụng mới, và do yêu cầu về độ phức tạp của thiết bị thấp cùng với tiêu thụ năng lượng thấp, kéo dài thời gian sống của mạng, cần phải có sự cân bằng giữa khả năng truyền thông và khả năng xử lý tín hiệu, dữ liệu. Điều này thúc đẩy một nỗ lực rất lớn trong các hoạt động nghiên cứu, quá trình chuẩn hóa và đầu tư công nghiệp trong nhiều năm gần đây. Mạng cảm biến không dây thông thường có một số đặc điểm sau [21]: Có khả năng tự tổ chức, yêu cầu ít hoặc không có sự can thiệp của con người. Truyền thông không tin cậy và quảng bá trong phạm vi hẹp, sử dụng định tuyến đơn chặng hoặc đa chặng.
Triển khai dày đặc và có khả năng kết hợp giữa các nút cảm biến. Cấu hình mạng thường xuyên thay đổi phụ thuộc vào sự di chuyển, hao mòn và hư hỏng ở các nút cảm biến. Bị giới hạn về năng lượng, công suất phát, bộ nhớ và công suất tính toán. Chính những đặc điểm này đã đưa ra những yêu cầu đặc biệt trong thiết kế mạng cảm biến không dây.
Một trong những hạn chế chính của WSNs có liên quan trực tiếp đến hiệu suất phần cứng, chẳng hạn như khả năng xử lý và pin, mà kết quả là lượng năng lượng tiêu thụ cao hơn và giảm thời gian sống của mạng. Tuy nhiên, có rất nhiều ứng dụng sử dụng WSN như các hoạt động cứu hộ thảm họa, phòng chống cháy rừng, các khu vực chiến tranh, kỹ thuật, y tế và nông nghiệp,. nơi mà sự can thiệp trực tiếp của con người là tương đối có nguy hiểm cao hoặc đôi khi không thể thực hiện được. Trong nhiều trường hợp thay thế pin cũng không khả thi vì số lượng lớn nút cảm biến của WSN cũng như các hạn chế của khu vực triển khai.
Nếu một nút tắt nguồn và mất kết nối có thể bị ảnh hưởng làm cho mục tiêu của mạng trở nên vô ích. Do tính chất hạn chế nguồn lực, khả năng sao lưu năng lượng rất hạn chế và 8 cách duy nhất để duy trì kết nối mạng là sử dụng năng lượng có hiệu quả để kéo dài tuổi thọ của toàn bộ mạng. Các ứng dụng sử dụng mạng cảm biến không dây sẽ phải có kết nối liên tục với khu vực mà chúng được triển khai mà không có bất kỳ sự cố nào nếu không sự tham gia của việc triển khai cảm biến sẽ không có hiệu quả. Để duy trì tuổi thọ của mạng, lựa chọn duy nhất là sử dụng hiệu quả năng lượng có sẵn ở mức tối đa.
Hiện tại, các nghiên cứu về WSN về việc thiết kế các thuật toán và giao thức hiệu quả về năng lượng và tính toán được nhiều nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này quan tâm, phần này sẽ được trình bày chi tiết ở chương 2 và chương 3. Cấu trúc của một nút mạng Để xây dựng mạng cảm biến trước hết phải chế tạo và phát triển các nút cấu thành mạng - nút cảm biến. Các nút này phải thỏa mãn một số yêu cầu nhất định tùy theo ứng dụng: kích thước nhỏ, giá thành rẻ, hoạt động hiệu quả về năng lượng, có các thiết bị cảm biến chính xác có thể cảm nhận, thu thập các thông số môi trường, có khả năng tính toán và có bộ nhớ đủ để lưu trữ, và phải có khả năng thu phát sóng để truyền thông với các nút lân cận. Mỗi nút cảm ứng được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản, như ở hình 1.2, bộ cảm biến (sensing unit), bộ xử lý (processing unit), bộ thu phát (transceiver unit) và bộ nguồn (power unit).
Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là hệ thống định vị (location finding system), bộ nguồn phát (power generator) và bộ phận di động (mobilizer). Các thành phần của một nút cảm biến - Các bộ phận cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC). - Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi sensor được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý. 9 - Bộ xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ (storage unit), quyết định các thủ tục làm cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định 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. - Một trong số các phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm biến 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. Ngoài ra cũng có những thành phần phụ khác phụ thuộc vào từng ứng dụng. Hầu hết các kĩ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm ứng của mạng đều yêu cầu có độ chính xác cao về vị trí. Vì vậy cần phải có các bộ định vị.
Các bộ phận di động, đôi lúc cần để dịch chuyển các nút cảm biến khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định như cảm biến theo dõi sự chuyển động của vật nào đó. Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module. Ngoài kích cỡ ra các nút cảm biến còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như là phải tiêu thụ rất ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự hoạt động, và thích ứng với môi trường 1. Kiến trúc giao thức mạng Trong mạng cảm biến, 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 thông qua internet hay vệ tinh. Kiến trúc giao thức được sử dụng bởi nút gốc và các nút cảm biến được trình bày trong hình 1. Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến. Kiến trúc giao thức này 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 vô tuyến 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, mặt phẳng quản lý năng lượng, mặt phẳng quản lý di động và mặt phẳng quản lý nhiệm vụ. - Lớp ứng dụng: Tùy vào từng nhiệm vụ của mạng cảm biến mà các phần mềm ứng dụng khác nhau được xây dựng và sử dụng trong lớp ứng dụng. Trong lớp ứng dụng có mốt số giao thức quan trọng như giao thức quản lí mạng sensor, giao thức quảng bá dữ liệu và chỉ định nhiệm vụ cho từng sensor, giao thức phân phối dữ liệu và truy vấn cảm biến. - Lớp truyền tải: Lớp truyền tải giúp duy trì luồng số liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu.
Lớp truyền tải đặc biệt 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 (nút quản lý nhiệm vụ) thì có thể là giao thức UDP hay TCP thông qua internet hoặc vệ tinh.
