MỞ ĐẦU Từ những thành quả của truyền thông vô tuyến trong những năm gần đây, mạng cảm biến không dây (WSN) với giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lƣợng và đa chức năng nên rất đƣợc chú ý và phát triển trong những năm gần đây. Trong tƣơng lai không xa mạng cảm biến sẽ là một phần không thể thiếu trong cuộc sống. Mạng cảm biến đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều lĩnh vực nhƣ: y tế, kinh doanh, môi trƣờng, quân sự…Mặc dù vậy, mạng cảm ứng không dây đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức và một trong những thách thức lớn nhất trong mạng cảm ứng không dây là nguồn năng lƣợng bị giới hạn. Có rất nhiều công trình nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện hiệu quả sử dụng năng lƣợng trong mạng cảm biến.
Luận văn nghiên cứu tổng quan về mạng cảm biến, về định tuyến trong mạng cảm biến, đi sâu vào hai thuật giải định tuyến cụ thể và vận dụng giải một số bài toán giả định trong thực tiễn. Nội dung luận văn đƣợc chia thành ba (03) chƣơng nhƣ sau: Chƣơng I. Tổng quan về mạng cảm biến không dây Chƣơng II. Định tuyến trong mạng cảm biến không dây Chƣơng III.
Một số giải thuật định tuyến giảm thiểu tiêu thụ năng lƣợng trong mạng cảm biến không dây. Vận dụng giải một số bài toán giả định trong thực tiễn thu đƣợc hiệu quả năng lƣợng. Mặc dù đã rất cố gắng trong quá trình nghiên cứu, do thiếu về tài liệu và hiểu biết nên luận văn còn nhiếu thiếu sót. Tác giả mong các thầy cô đóng góp, cho ý kiến để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn.
8 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN Chƣơng này giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây bao gồm: Định nghĩa về mạng cảm biến không dây, cấu trúc một nút mạng cơ bản, cấu trúc mạng cảm biến không dây, ứng dụng của mạng cảm biến không dây và một số thách thức mà mạng cảm biến gặp phải.1 Giới thiệu Mạng cảm biến không dây là một trong những công nghệ mới mà phát triển rất nhanh chóng với nhiều ứng dụng nhƣ: Ứng dụng trong công nghiệp, quân sự, y tế, môi trƣờng…Mạng cảm biến không dây (WSN) là mạng liên kết các nút cùng với nhau nhờ sóng vô tuyến. Mỗi nút mạng gồm đầy đủ các chức năng nhƣ cảm nhận, thu thập, xử lý, truyền dữ liệu. Mạng cảm biến không dây có một số lƣợng lớn các nút, phân bố rộng với giá thành rẻ và sử dụng nguồn năng lƣợng hạn chế thƣờng là Pin. Vậy ta có thể hiểu mạng cảm biến không dây là mạng đƣợc triển khai trên một diện rộng với số lƣợng lớn các thiết bị có kích thƣớc nhỏ gọn, giá thành thấp, có nguồn năng lƣợng hạn chế, có khả năng tính toán cảm nhận và thông tin liên lạc với các nút mạng khác nhằm mục đích phát hiện, giám sát, điều khiển trong một ứng dụng nhất đinh.
Chính vì sự phân bố rộng và nguồn năng lƣợng hạn chế nhƣ vậy cũng đặt ra nhiều thách thức để tìm ra những giải pháp để giảm thiểu tiêu thụ năng lƣợng trong mạng.1: Biểu tượng của mạng cảm biến 9 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.2 Cấu trúc mạng WSN 1.1 Cấu trúc 1 nút mạng WSN Một mạng cảm biến bao gồm rất nhiều nút cảm biến cấu thành lên. Và do đó để xây dựng mạng cảm biến trƣớc hết phải chế tạo và phát triển các nút cảm biến. Các nút chúng có kích thƣớc nhỏ, giá thành rẻ, hoạt động hiệu quả về năng lƣợng và khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng. Một nút bao gồm các thiết bị cảm biến chính xác có thể cảm nhận, thu thập các thông tin môi trƣờng.
Thêm nữa chúng cũng có khả năng tính toán và có bộ nhớ để lƣu trữ và phải có bộ thu và phát sóng vô tuyến để truyền thông với các nút lân cận. Một nút cảm ứng cơ bản đƣợc cấu thành bởi các thành phần cơ bản nhƣ sau: Đơn vị cảm nhận (Sensing Unit), đơn vị xử lý (Processing Unit), đơn vị thu phát (Transceiver Unit) và đơn vị tạo nguồn (Power Unit) và một số thành phần khác tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể nhƣ nhƣ hệ thống định vị (Location Finding System), bộ phát nguồn (Power Generator) và bộ phận di dộng (Mobilizer).2: Các thành phần của một nút Đơn vị cảm ứng (Sensing Units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tƣơng tự sang số (ADC). Nhiệm vụ của Sensing Units là dựa trên những hiện tƣợng quan sát đƣợc Sensing Units sẽ tạo ra tín hiệu tƣơng tự và đƣợc chuyển sang tín hiệu số bằng chuyển đổi ADC, sau đó đƣợc đƣa vào bộ xử lý. Bộ xử lý thƣờng đƣợc kết hợp với bộ lƣu trữ nhỏ (Storage Unit), quyết định các thủ tục cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ đã đƣợc lập trình sẵn.
Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng. Chúng gửi và nhận các dữ liệu thu đƣợc từ chính nó hoặc các nút lân cận tới các nút khác hoặc tới sink. Hầu hết các kĩ thuật định tuyến đều yêu cầu có độ chính xác cao về vị trí địa lý. Vì vậy trong cấu trúc của nút mạng cần phải có các bộ định vị.
Phần quan 10 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com trọng nhất của một nút mạng cảm ứng 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 trƣờng nhƣ là năng lƣợng ánh sáng mặt trời.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây Để đạt đƣợc mục tiêu hiệu quả trong mục đích sử dụng, hiệu quả kinh tế, hiệu quả trong sử dụng năng lƣợng, cấu trúc mạng cảm biến không dây phải đƣợc thiết kế với những đặc điểm sau đây: + Giao tiếp không dây Multihop (Đa bƣớc nhảy): Đặc điểm của mạng là dùng giao tiếp không dây, khi đó giao tiếp trực tiếp giữa hai nút sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hay các vật cản, nhiễu đƣờng truyền. Đặc biệt là khi nút phát và nút thu ở khoảng cách xa nhau thì cần phải phát với công suất lớn gây nên mạng rất mau hết năng lƣợng dừng hoạt động.
Do đó cần các nút trung gian làm nút chuyển tiếp để giảm công suất tiêu thụ tổng thể, kéo dài thời gian sống. Do vậy các mạng cảm biến không dây cần phải dùng giao tiếp Multihop và các định tuyến kéo theo là vấn đề then chốt trong mạng. + Tính hiệu quả năng lƣợng: Để một mạng có thể hoạt động trong thời gian dài, tính hiệu quả năng lƣợng là kĩ thuật quan trọng mạng cảm biến không dây. Do đó các định tuyến hiệu quả năng lƣợng cũng là các kỹ thuật then chốt của mạng cảm biến không dây.
+ Tự động cấu hình: Do số lƣợng các nút trong mạng cảm biến là rất lớn và phân bố trên một vùng rộng lớn gây nên việc cấu hình bằng tay sẽ gây rất nhiều khó khăn. Do đó các nút trong mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông số một cách tự động. Ví dụ nhƣ các nút có thể xác định vị trí của nó thông qua các nút lân cận (gọi là tự định vị), thông qua vị trí tƣơng đối của nó so với nút lân cận trong mạng. + Cộng tác xử lý, thu thập và tập trung dữ liệu trong mạng: Trong nhiều ứng dụng (Ví dụ nhiệt độ trung bình của một vùng) một nút cảm biến không thu thập đủ dữ liệu mà cần phải có nhiều nút cùng cộng tác hoạt động thì mới thu thập đủ dữ liệu.
Do vậy khi nhiều nút thu thập dữ liệu và từng nút đó gửi ngay đến Sink thì sẽ rất tốn băng thông và năng lƣợng. Và nhƣ vậy cần phải có cơ chế kết hợp các dữ liệu của nhiều nút trong một vùng rồi mới gửi tới Sink thì sẽ tiết kiệm băng thông và năng lƣợng. Đôi khi cũng có thể xử 11 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com lý một phần hoặc nhiều phần sau đó mới gửi đến Sink, giúp giảm tải băng thông, tiết kiệm năng lƣợng. + Các nút mang cảm biến đƣợc phân bố trong một trƣờng cảm biến(Sensor Field) nhƣ hình bên dƣới.
Mỗi một nút cảm ứng có khả năng thu thập dữ liệu và truyền lại đến các Sink. Dữ liệu đƣợc truyền đến các Sink bằng truyền thông Mutihop. Các Sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (Task Manager Node) qua mạng Internet và các hình thức truyền thông khác.3: Cấu trúc mạng cảm biến không dây 1.3 Hai cấu trúc đặc trƣng của mạng cảm biến không dây 1.1 Cấu trúc phẳng (Flat Architecture) Hình 1. Cấu trúc phẳng Đây là cấu trúc đơn giản nhất trong mạng cảm biến.
Trong cấu này, tất cả các nút trong mạng đều ngang hàng và đồng nhất trong hình dạng và giống nhau về chức năng. Các nút giao tiếp với Sink qua Multihop sử dụng các nút ngang hàng làm bộ 12 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com chuyển tiếp. Với phạm vi truyền cố định, các nút gần trạm cơ sở hơn sẽ đảm bảo vai trò là bộ chuyển tiếp đối với một lƣợng lớn nguồn tiêu thụ.2 Cấu trúc phân cấp (Tiered Architecture) Trong cấu trúc này, các cụm đƣợc tạo ra giúp các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu Single hop (Đơn bƣớc nhảy) hay Multihop (Đa bƣớc nhảy) tùy thuộc vào kích thƣớc của cụm đến nút định sẵn, thƣờng là nút chủ (Cluster Head). Các nút tạo thành một hệ thống phân cấp mà ở đó mỗi nút ở một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã đƣợc định trƣớc.
Cấu trúc phân cấp Trong cấu trúc phân cấp thì chức năng không đồng đều giữa các nút. Những chức năng này có thể phân chia theo cấp, cấp thấp nhất thực hiện các nhiệm vụ cảm nhận môi trƣờng xung quanh, cấp giữa thực hiện tính toán xử lý số liệu và cấp trên cùng phân phối truyền dữ liệu. Các nhiệm vụ xác định có thể đƣợc phân chia không đồng đều giữa các lớp, trong đó mỗi cấp có thể thực hiện một nhiệm vụ xác định. Khi đó, các cảm biến ở cấp thấp nhất có vai trò nhƣ bộ lọc thông dải đơn giản để tách nhiễu khỏi tín hiệu, trong đó các nút ở cấp cao hơn sẽ không lọc dữ liệu này mà thực hiện các chức năng nhƣ tính toán, phân phối, truyền dữ liệu.
13 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp Mạng cảm biến không dây xây dựng theo cấu trúc phân cấp đƣợc đánh giá là hoạt động hiệu quả hơn mạng cấu trúc phẳng .