Luận văn thạc sĩ về giải thuật phân tuyến cân bằng năng lượng trong mạng WSN

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu giải thuật phân tuyến cân bằng năng lượng trong mạng WSN, chuyên ngành kỹ thuật điện tử, mã 60 52 02 03.

• Tác giả: Đỗ Tuấn Anh
• Người hướng dẫn: PGS. Vương Đạo Vy
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ điện tử - Viễn thông
• Đề tài: Nghiên Cứu Giải Thuật Phân Tuyến Cân Bằng Năng Lượng Trong Mạng WSN
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
• 1.1. Cấu trúc mạng cảm biến không dây
• 1.1.1. Cấu trúc node mạng
• 1.1.2. Cấu trúc toàn mạng cảm biến không dây
• 1.2. Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến không dây
• 1.2.1. Cấu trúc phẳng (flat architecture)
• 1.2.2. Cấu trúc phân cấp (tiered architecture)
• 1.2.3. Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp
• 1.3. Các đặc trưng của mạng cảm biến không dây
• 1.3.1. Khả năng chịu lỗi
• 1.3.2. Khả năng mở rộng
• 1.3.3. Chi phí sản xuất
• 1.3.4. Phần cứng
• 1.3.5. Môi trường hoạt động
• 1.3.6. Tiêu thụ năng lượng
• 1.3.7. Tính bảo mật
• 1.4. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
• 2.1. Các vấn đề cần lưu ý đối với giao thức định tuyến
• 2.1.1. Đặc tính thay đổi thời gian và trật tự sắp xếp của mạng cảm biến
• 2.1.2. Tài nguyên hạn chế
• 2.1.3. Mô hình dữ liệu trong mạng cảm biến không dây
• 2.1.4. Cách truyền dữ liệu trong mạng cảm biến không dây
• 2.2. Các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây
• 2.2.1. Giao thức trung tâm dữ liệu (data-centric protocols)
• 2.2.2. Các giao thức phân cấp (Hierarchical protocols)
• 2.2.3. Giao thức dựa trên vị trí (Location-based protocols)
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG GIAO THỨC LEACH
• 3.1. Kiến trúc NS2
• 3.2. Các đặc tính của NS-2
• 3.3. Lý thuyết về LEACH
• 3.4. Mô phỏng mạng cảm biến không dây trên NS-2
• 3.4.1. Bài toán mô phỏng
• 3.4.2. Cấu trúc phần mềm
• 4. CHƯƠNG 4: TỔNG KẾT
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về mạng cảm biến không dây (WSN), bao gồm cấu trúc, chức năng và ứng dụng của nó. Mạng cảm biến không dây là một hệ thống gồm nhiều node cảm biến kết nối với nhau qua sóng vô tuyến. Các node này có khả năng thu thập và truyền tải dữ liệu từ môi trường xung quanh. Đặc điểm nổi bật của mạng WSN là khả năng tự tổ chức và tự vận hành, cho phép triển khai ở những khu vực khó tiếp cận. Tuy nhiên, mạng WSN cũng đối mặt với nhiều thách thức, đặc biệt là vấn đề cân bằng năng lượng. Nguồn năng lượng hạn chế là một trong những yếu tố quyết định đến hiệu suất và thời gian hoạt động của mạng cảm biến không dây. Việc tối ưu hóa năng lượng không chỉ giúp kéo dài tuổi thọ của node mà còn nâng cao hiệu suất tổng thể của mạng.

1.1 Cấu trúc node mạng

Cấu trúc của một node trong mạng cảm biến không dây bao gồm bốn thành phần chính: bộ cảm biến, bộ xử lý, bộ thu phát và bộ nguồn. Mỗi node cần có kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp và khả năng hoạt động hiệu quả. Bộ cảm biến có nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ môi trường, trong khi bộ xử lý xử lý thông tin và bộ thu phát đảm bảo việc truyền tải dữ liệu. Bộ nguồn, thường là pin, đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì hoạt động của node. Để tối ưu hóa năng lượng, các node có thể được thiết kế để sử dụng năng lượng tái tạo từ môi trường như năng lượng mặt trời.

1.2 Cấu trúc toàn mạng cảm biến không dây

Cấu trúc của mạng cảm biến không dây cần được thiết kế để sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên hạn chế. Giao tiếp không dây multihop là một kỹ thuật quan trọng, cho phép các node giao tiếp với nhau qua các node trung gian. Điều này giúp giảm thiểu công suất tiêu thụ và kéo dài thời gian sống của mạng. Hơn nữa, việc tự động cấu hình và xử lý dữ liệu trong mạng cũng rất cần thiết để tối ưu hóa năng lượng. Các node cần có khả năng chia sẻ nhiệm vụ và hợp tác để thu thập dữ liệu, từ đó tiết kiệm băng thông và năng lượng tiêu thụ.

II. Định tuyến trong mạng cảm biến không dây

Chương này tập trung vào các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây. Định tuyến là một yếu tố quan trọng trong việc tối ưu hóa năng lượng và hiệu suất của mạng. Các giao thức định tuyến có thể được phân loại thành ba nhóm chính: giao thức trung tâm dữ liệu, giao thức phân cấp và giao thức dựa trên vị trí. Mỗi loại giao thức có những ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với các ứng dụng khác nhau. Việc lựa chọn giao thức định tuyến phù hợp có thể giúp cải thiện hiệu suất mạng và kéo dài thời gian hoạt động của các node. Đặc biệt, trong các ứng dụng yêu cầu truyền tải dữ liệu liên tục, việc tối ưu hóa năng lượng là rất cần thiết.

2.1 Các vấn đề cần lưu ý đối với giao thức định tuyến

Khi thiết kế giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây, cần lưu ý đến các vấn đề như tài nguyên hạn chế, khả năng chịu lỗi và tính bảo mật. Tài nguyên hạn chế ảnh hưởng đến khả năng hoạt động của node, trong khi khả năng chịu lỗi đảm bảo rằng mạng vẫn hoạt động bình thường ngay cả khi một số node không hoạt động. Tính bảo mật cũng rất quan trọng, đặc biệt trong các ứng dụng quân sự, nơi thông tin cần được bảo vệ khỏi các mối đe dọa bên ngoài.

2.2 Các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây

Các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều loại khác nhau, mỗi loại có cách tiếp cận riêng để tối ưu hóa năng lượng. Giao thức trung tâm dữ liệu tập trung vào việc thu thập dữ liệu từ nhiều node và gửi về một trạm trung tâm. Giao thức phân cấp chia mạng thành các cụm, trong đó mỗi cụm có một node chủ chịu trách nhiệm thu thập và truyền tải dữ liệu. Giao thức dựa trên vị trí sử dụng thông tin vị trí của node để tối ưu hóa quá trình truyền tải dữ liệu. Việc lựa chọn giao thức phù hợp có thể giúp cải thiện hiệu suất và kéo dài thời gian sống của mạng.

III. Mô phỏng giao thức LEACH

Chương này trình bày về mô phỏng giao thức LEACH, một trong những giao thức định tuyến phổ biến trong mạng cảm biến không dây. LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy) là một giao thức phân cấp giúp tối ưu hóa năng lượng bằng cách chia mạng thành các cụm. Mỗi cụm có một node chủ, chịu trách nhiệm thu thập dữ liệu từ các node trong cụm và gửi về trạm trung tâm. Mô phỏng giao thức LEACH cho phép đánh giá hiệu suất của giao thức trong các điều kiện khác nhau, từ đó đưa ra các giải pháp cải tiến. Việc sử dụng phần mềm mô phỏng như NS-2 giúp nghiên cứu và phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của mạng.

3.1 Lý thuyết về LEACH

LEACH là một giao thức định tuyến phân cấp, trong đó các node được chia thành các cụm. Mỗi cụm có một node chủ, có nhiệm vụ thu thập và truyền tải dữ liệu về trạm trung tâm. Giao thức này giúp giảm thiểu năng lượng tiêu thụ bằng cách giảm số lần truyền tải dữ liệu trực tiếp từ các node đến trạm trung tâm. Thay vào đó, dữ liệu được gửi đến node chủ trong cụm, từ đó node chủ sẽ gửi dữ liệu đã tổng hợp về trạm trung tâm. Điều này giúp tiết kiệm năng lượng và kéo dài thời gian sống của mạng.

3.2 Mô phỏng mạng cảm biến không dây trên NS 2

Phần mềm mô phỏng NS-2 được sử dụng để mô phỏng giao thức LEACH trong mạng cảm biến không dây. Mô phỏng cho phép đánh giá hiệu suất của giao thức trong các điều kiện khác nhau, từ đó đưa ra các giải pháp cải tiến. Các thông số như số lượng node, khoảng cách giữa các node, và tần suất truyền tải dữ liệu đều có thể được điều chỉnh trong mô phỏng. Kết quả mô phỏng giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của mạng và đưa ra các khuyến nghị cho việc tối ưu hóa năng lượng.

IV. Tổng kết

Chương cuối cùng tổng kết những điểm chính đã được trình bày trong luận văn. Nghiên cứu giải thuật phân tuyến cân bằng năng lượng trong mạng WSN đã chỉ ra tầm quan trọng của việc tối ưu hóa năng lượng trong mạng cảm biến không dây. Các giao thức định tuyến như LEACH đã chứng minh hiệu quả trong việc kéo dài thời gian sống của mạng. Việc áp dụng các giải pháp tối ưu hóa năng lượng không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong thực tiễn. Tương lai của mạng cảm biến không dây hứa hẹn sẽ có nhiều tiến bộ, đặc biệt trong các lĩnh vực như y tế, môi trường và an ninh.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong công nghệ điện tử và viễn thông, đặc biệt với sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị cảm biến nhỏ gọn, giá thành thấp và tiêu thụ năng lượng thấp. Theo ước tính, mạng cảm biến không dây có thể bao gồm hàng trăm đến hàng nghìn node được phân bố trong một khu vực rộng lớn, phục vụ cho các ứng dụng đa dạng như giám sát môi trường, y tế, công nghiệp, nông nghiệp và quân sự. Một trong những thách thức lớn nhất của WSN là nguồn năng lượng hạn chế của các node, thường là pin không thể nạp lại, dẫn đến việc cần thiết phải phát triển các giải thuật cân bằng năng lượng hiệu quả để kéo dài thời gian hoạt động của mạng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển và đánh giá giải thuật phân tuyến cân bằng năng lượng trong mạng cảm biến không dây, tập trung vào giao thức định tuyến phân cấp LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy). Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi mô phỏng mạng WSN với 100 node, trên khu vực 100x100 mét vuông, sử dụng phần mềm mô phỏng NS-2 phiên bản 2.34 trên hệ điều hành Linux Ubuntu. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng, kéo dài thời gian sống của mạng, từ đó nâng cao độ tin cậy và khả năng ứng dụng thực tế của WSN trong nhiều lĩnh vực.

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 node cảm biến nhỏ gọn, có khả năng cảm nhận, xử lý và truyền dữ liệu không dây. Các node có nguồn năng lượng hạn chế, thường là pin, và mạng có thể tự tổ chức, tự cấu hình để thích ứng với môi trường hoạt động.
• Cấu trúc mạng phân cấp (Hierarchical Architecture): Mạng được chia thành các cụm (cluster), trong đó mỗi cụm có một node chủ (cluster head) chịu trách nhiệm tổng hợp và truyền dữ liệu đến trạm cơ sở. Cấu trúc này giúp giảm tiêu thụ năng lượng và tăng tuổi thọ mạng so với cấu trúc phẳng.
• Giao thức định tuyến LEACH: Là giao thức phân cấp thích ứng năng lượng thấp, sử dụng cơ chế chọn ngẫu nhiên các node làm cluster head theo chu kỳ để cân bằng năng lượng tiêu thụ giữa các node. LEACH bao gồm hai pha chính: pha thiết lập cụm và pha ổn định truyền dữ liệu.
• Mô hình tổng hợp dữ liệu (Data Aggregation): Giảm thiểu lượng dữ liệu truyền đi bằng cách xử lý và tổng hợp dữ liệu tại node chủ cụm, giúp tiết kiệm năng lượng truyền tải.

Các khái niệm chính bao gồm: node cảm biến, cluster head, pha thiết lập và pha ổn định trong LEACH, mô hình truyền dữ liệu đa chặng (multihop), và các thuật toán chọn cluster head dựa trên xác suất.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng mạng cảm biến không dây trên phần mềm NS-2 (Network Simulator 2), phiên bản 2.34, chạy trên hệ điều hành Linux Ubuntu 12.04. Cỡ mẫu mô phỏng là 100 node cảm biến được phân bố ngẫu nhiên trong khu vực 100x100 mét vuông. Năng lượng ban đầu của mỗi node là 0.5 Joule, tỷ lệ node làm cluster head được đặt là 10% (p=0.1). Mô phỏng được thực hiện trong 3600 vòng hoạt động.

Quá trình mô phỏng bao gồm:

• Thiết lập topology mạng và các tham số vật lý như tốc độ kênh truyền, năng lượng tiêu hao trên kênh.
• Thực thi giao thức LEACH với các bước chọn cluster head, phân chia cụm, truyền và nhận dữ liệu.
• Thu thập dữ liệu kết quả gồm tổng năng lượng tiêu thụ của từng node, tổng số dữ liệu truyền về trạm cơ sở, và số node còn sống theo thời gian.
• Phân tích kết quả mô phỏng bằng các công cụ đồ họa để đánh giá hiệu quả năng lượng và thời gian sống mạng.

Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng toàn bộ mạng với 100 node, phù hợp với mục tiêu đánh giá hiệu quả của giải thuật trong điều kiện mạng có kích thước vừa phải. Phân tích dữ liệu tập trung vào so sánh năng lượng tiêu thụ và số node còn hoạt động theo thời gian.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả tiết kiệm năng lượng của LEACH: Mô phỏng cho thấy giao thức LEACH giúp giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ so với phương pháp truyền dữ liệu trực tiếp. Cụ thể, năng lượng tiêu thụ trung bình mỗi node giảm khoảng 30-40% khi sử dụng LEACH, nhờ cơ chế phân cụm và tổng hợp dữ liệu cục bộ tại cluster head.

2. Tăng thời gian sống của mạng: Số lượng node còn sống sau 3600 vòng mô phỏng duy trì ở mức khoảng 70%, trong khi các phương pháp không sử dụng phân cụm chỉ còn khoảng 40-50%. Điều này chứng tỏ LEACH kéo dài tuổi thọ mạng bằng cách cân bằng năng lượng giữa các node.

3. Ảnh hưởng của tổng hợp dữ liệu: Việc tổng hợp dữ liệu tại node chủ cụm giúp giảm lượng dữ liệu truyền về trạm cơ sở, tiết kiệm năng lượng truyền tải. Mô phỏng với tổng hợp dữ liệu cho thấy năng lượng tiêu thụ giảm khoảng 25% so với trường hợp không tổng hợp.

4. Phân bố cluster head ngẫu nhiên: Cơ chế chọn cluster head ngẫu nhiên theo xác suất giúp phân phối đều năng lượng tiêu thụ giữa các node, tránh tình trạng một số node nhanh hết năng lượng. Tuy nhiên, số lượng cluster head không được đảm bảo cố định trong mỗi vòng, dẫn đến sự khác biệt về kích thước cụm và năng lượng tiêu thụ giữa các cụm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả tiết kiệm năng lượng là do LEACH tận dụng cấu trúc phân cấp, giảm số lần truyền dữ liệu trực tiếp đến trạm cơ sở, vốn tiêu tốn nhiều năng lượng. Việc tổng hợp dữ liệu cục bộ tại cluster head cũng làm giảm lượng dữ liệu thừa, tiết kiệm băng thông và năng lượng.

So sánh với các nghiên cứu khác, kết quả mô phỏng phù hợp với báo cáo của ngành về hiệu quả của LEACH trong việc kéo dài thời gian sống mạng. Tuy nhiên, nhược điểm của LEACH là không đảm bảo số lượng cluster head cố định, gây ra sự không đồng đều trong phân bố năng lượng giữa các cụm. Điều này có thể được cải thiện bằng các biến thể như LEACH-C hoặc LEACH-F, trong đó trạm cơ sở tham gia vào việc chọn cluster head hoặc cụm cố định.

Dữ liệu mô phỏng có thể được trình bày qua các biểu đồ thể hiện sự thay đổi số node còn sống theo thời gian, đồ thị năng lượng tiêu thụ trung bình của mạng, và biểu đồ so sánh năng lượng tiêu thụ khi có và không có tổng hợp dữ liệu cục bộ. Các bảng số liệu chi tiết về năng lượng tiêu thụ từng node và số lượng cluster head trong mỗi vòng cũng giúp minh họa rõ hơn hiệu quả của giải thuật.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng cơ chế chọn cluster head có kiểm soát: Đề xuất sử dụng các biến thể của LEACH như LEACH-C, trong đó trạm cơ sở lựa chọn cluster head dựa trên vị trí và năng lượng hiện tại của node, nhằm đảm bảo số lượng cluster head ổn định và phân bố đều hơn, giúp cân bằng năng lượng hiệu quả hơn.

2. Tăng cường tổng hợp dữ liệu cục bộ: Khuyến nghị phát triển các thuật toán tổng hợp dữ liệu nâng cao, giảm thiểu dữ liệu thừa và tăng tỷ lệ nén dữ liệu, từ đó tiết kiệm năng lượng truyền tải và băng thông mạng.

3. Tích hợp năng lượng tái tạo: Đề xuất nghiên cứu và ứng dụng các nguồn năng lượng tái tạo như pin mặt trời cho node cảm biến, giúp kéo dài thời gian hoạt động của mạng, đặc biệt trong các môi trường khó tiếp cận để thay pin.

4. Phát triển mô hình mô phỏng đa kịch bản: Khuyến nghị mở rộng mô hình mô phỏng với các kịch bản khác nhau về mật độ node, vị trí trạm cơ sở, và điều kiện môi trường để đánh giá toàn diện hiệu quả của giải thuật trong thực tế.

Các giải pháp trên nên được triển khai trong vòng 1-2 năm, với sự phối hợp giữa các nhà nghiên cứu, kỹ sư phát triển phần mềm mô phỏng và các đơn vị ứng dụng thực tế như nông nghiệp, y tế và quân sự.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ điện tử - viễn thông: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mạng cảm biến không dây, các giao thức định tuyến và phương pháp mô phỏng, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển các giải thuật mới.

2. Kỹ sư phát triển hệ thống WSN: Các kỹ sư thiết kế và triển khai mạng cảm biến có thể áp dụng các giải pháp cân bằng năng lượng và mô hình mô phỏng để tối ưu hóa hiệu suất mạng trong thực tế.

3. Doanh nghiệp ứng dụng công nghệ IoT và WSN: Các công ty trong lĩnh vực nông nghiệp thông minh, giám sát môi trường, y tế từ xa có thể tham khảo để lựa chọn và tùy chỉnh giao thức phù hợp với yêu cầu ứng dụng.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách công nghệ: Các tổ chức quản lý công nghệ và phát triển hạ tầng có thể sử dụng kết quả nghiên cứu để định hướng phát triển các tiêu chuẩn và quy chuẩn cho mạng cảm biến không dây.

Câu hỏi thường gặp

1. Giao thức LEACH hoạt động như thế nào để tiết kiệm năng lượng?
   LEACH sử dụng cơ chế phân cụm và chọn ngẫu nhiên các node làm cluster head theo chu kỳ, giúp phân phối đều năng lượng tiêu thụ giữa các node. Node chủ cụm tổng hợp dữ liệu từ các node thành viên trước khi gửi về trạm cơ sở, giảm số lần truyền dữ liệu và tiết kiệm năng lượng.

2. Tại sao cần tổng hợp dữ liệu trong mạng cảm biến không dây?
   Tổng hợp dữ liệu giúp loại bỏ thông tin dư thừa, giảm lượng dữ liệu truyền đi, từ đó tiết kiệm năng lượng và băng thông. Ví dụ, trong một cụm, node chủ có thể nén và xử lý dữ liệu trước khi gửi về trạm cơ sở.

3. Phần mềm NS-2 có ưu điểm gì trong mô phỏng mạng WSN?
   NS-2 là phần mềm mã nguồn mở, hỗ trợ mô phỏng chi tiết các giao thức mạng, có khả năng mô phỏng mạng diện rộng và mạng local, cho phép kiểm tra tính ổn định và đánh giá hiệu quả các giao thức trước khi triển khai thực tế.

4. Nhược điểm của giao thức LEACH là gì?
   LEACH không đảm bảo số lượng cluster head cố định trong mỗi vòng, dẫn đến sự không đồng đều trong phân bố năng lượng giữa các cụm. Ngoài ra, LEACH không phù hợp với mạng có node di động hoặc mạng có kích thước rất lớn.

5. Làm thế nào để cải thiện hiệu quả năng lượng trong mạng cảm biến không dây?
   Có thể áp dụng các biến thể của LEACH như LEACH-C, sử dụng thuật toán chọn cluster head có kiểm soát, tích hợp năng lượng tái tạo, phát triển thuật toán tổng hợp dữ liệu nâng cao và tối ưu hóa cấu trúc mạng để giảm tiêu thụ năng lượng.

Kết luận

• Luận văn đã nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến phân cấp LEACH trong mạng cảm biến không dây với 100 node trên khu vực 100x100 mét vuông, sử dụng phần mềm NS-2.
• Kết quả mô phỏng cho thấy LEACH giúp tiết kiệm năng lượng khoảng 30-40% và kéo dài thời gian sống của mạng lên đến 70% số node còn hoạt động sau 3600 vòng.
• Tổng hợp dữ liệu cục bộ tại node chủ cụm là yếu tố quan trọng giúp giảm lượng dữ liệu truyền tải và tiết kiệm năng lượng.
• Đề xuất áp dụng các biến thể của LEACH, tăng cường tổng hợp dữ liệu và tích hợp năng lượng tái tạo để nâng cao hiệu quả mạng trong thực tế.
• Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng mô hình mô phỏng đa kịch bản, thử nghiệm trên mạng thực tế và phát triển các thuật toán định tuyến mới phù hợp với yêu cầu ứng dụng đa dạng.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực mạng cảm biến không dây tiếp tục khai thác và phát triển các giải pháp cân bằng năng lượng để nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

mở đầu này sẽ giới thiệu chung nhất về mạng cảm biến không dây cũng như các thành phần của mạng, cấu trúc của 1 node mạng, các yếu tố cần xem xét khi nghiên cứu về mạng cảm biến cũng như các ứng dụng thực tiễn vô cùng hữu ích trong nhiều lĩnh vực cuộc sống của mạng cảm biến không dây. Ngoài ra cũng sẽ đề cập đến một số khó khăn, thách thức cần cải thiện của mạng để đáp ứng tốt hơn với nhu cầu càng ngày càng cao của con người.1 Giới thiệu Mạng cảm biến không dây có 2 chức năng quan trọng là: mạng và cảm nhận. Mạng cảm biến không dây gồm các node liên kết với nhau bằng sóng vô tuyến với các node thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, có khả năng cảm nhận thông tin từ môi trường tùy thuộc yêu cầu, giá thành thấp. Mạng thường có số node mạng lớn, được phân bố trên một diện tích nhất định, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (thường là pin), có thời gian duy trì từ vài tháng đến vài năm, có thể được triển khải ở những môi trường khắc nghiệt nhằm nhiệm vụ giám sát, cảnh báo.

Các node mạng có chức năng cảm nhận, quan sát môi trường xung quanh như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng., định vị, theo dõi, thông báo các thông tin về mục tiêu cần giám sát. Các node giao tiếp với nhau và truyền dữ liệu về trạm trung tâm để xử lý thông tin. Vậy ta có thể hiểu mạng cảm biến không dây là mạng được triển khai với số lượng lớn các thiết bị nhỏ gọn, giá thành thấp, có nguồn năng lượng hạn chế, có khả năng cảm nhận, tính toán và thông tin liên lạc với các thiết bị khác nhằm mục đích phát hiện, giám sát, điều khiển trong môi trường nhất định. Mạng cảm biến không dây có những đặc điểm sau:  Có khả năng tự tổ chức, tự vận hành.

 Truyền thông tin quảng bá trong phạm vi nhất định.  Triển khai với mật độ nhất định tùy thuộc yêu cầu và có khả năng kết nối giữa các node cảm biến.  Cấu hình mạng có thể thay đổi định kỳ tùy thuộc vào sự suy giảm các node còn sống.  Có giới hạn về mặt năng lượng, công suất, bộ nhớ, phạm vi thu phát.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 1.1 Cấu trúc node mạng Để xây dựng nên mạng cảm biến không dây trước hết phải chế tạo và phát triển các node mạng cảm biến giúp cấu thành nên mạng.

Các node phải thỏa mãn một số yêu cầu nhất định tùy theo mục đích sử dụng cụ thể: Các node phải có kích thước nhỏ gọn, giá thành rẻ, hoạt động hiệu quả, có các thiết bị cảm biến có độ tin cậy cao, có khả năng tính toán và có bộ nhớ lưu trữ đáp ứng đủ yêu cầu, phải có khả năng thu phát sóng vô tuyến để thông tin liên lạc với các node khác và trạm cơ sở. Mỗi node cảm biến được cấu thành bởi 4 phần cơ bản: bộ cảm biến (a sensing unit), bộ xử lý( a processing unit), bộ thu phát (a transceiver unit) và bộ nguồn ( a power unit). Ngoài ra còn có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc ứng dụng như hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn ( a power generator) và bộ phận di dộng (mobilizer).1 Các thành phần của 1 node 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.

 Bộ xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ (storage unit), quyết định các thủ tục làm cho các node kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ nhất định.  Phần thu phát vô tuyến kết nối các node vào mạng. Chúng gửi và nhận các dữ liệu thu được từ chính nó hoặc các node lân cận tới các node khác hoặc tới base station. z 9  Một trong số các phần quan trọng nhất của một node mạng cảm biến là bộ nguồn.

Bộ nguồn thường là một số loại pin có năng lượng hạn chế. Để các node có thời gian sống lâu thì bộ nguồn rất quan trọng, nó nên 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 biến 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 node 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.2 Cấu trúc toàn mạng cảm biến không dây 1.1 Cấu trúc mạng Cấu trúc mạng cảm biến không dây cần được thiết kế sao cho sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên hạn chế của mạng, kéo dài thời gian sống của toàn mạng. Vì vậy thiết kế cấu trúc mạng và kiến trúc mạng cần đáp ứng những yếu tố kĩ thuật như:  Giao tiếp không dây multihop: Khi giao tiếp không dây là kĩ thuật chính thì giao tiếp trực tiếp giữa 2 node mạng sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hoặc vật cản. Đặc biệt là khi node phát và node thu cách nhau càng xa thì càng cần công suất càng lớn.

Vì vậy cần có các node trung gian để làm node chuyển tiếp làm giảm công suất tổng thể. Do đó các mạng cảm biến không dây cần dùng giao tiếp multihop.  Hoạt động hiệu quả năng lượng: để hỗ trợ việc kéo dài thời gian sống của toàn mạng, sử dụng hiệu quả năng lượng là kĩ thuật rất quan trọng trong mạng cảm biến không dây.  Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông số một cách tự động.

Chẳng hạn như các node có thể tự xác định vị trí của nó thông qua các node khác.  Cộng tác, xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: Trong một số ứng dụng một node cảm biến không thu thập đủ dữ liệu cần phải có nhiều node cùng tham gia cộng tác hoạt động để thu thập đủ dữ liệu, khi đó nếu từng node tự thu thập dữ liệu rồi gửi ngay z 10 dữ liệu đó đến trạm cơ sở thì sẽ rất tốn băng thông và năng lượng. Cần phải kết hợp các dữ liệu của nhiều node trong 1 phân vùng nhất định, xử lý sơ bộ sau đó mới gửi tới trạm cơ sở giúp tiết kiệm băng thông và năng lượng tiêu thụ. Do đó, cấu trúc mạng mới cần thiết kế thỏa mãn các yêu cầu như:  Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến.

 Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.  Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây.  Chia sẻ nhiệm vụ giữa các node lân cận nhau. Các node cảm biến được phân bố trong 1 vùng cảm biến như hình dưới.

Mỗi node cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các trạm cơ sở. Dữ liệu được định tuyến lại đến trạm cơ sở bởi cấu trúc đa điểm. Các trạm cơ sở có thể giao tiếp với các node quản lý nhiệm vụ qua mạng Internet hoặc vệ tinh.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 1.2 Hai cấu trúc đặc trƣng của mạng cảm biến không dây a, Cấu trúc phẳng (flat architecture) z 11 Hình 1.3 Cấu trúc phẳng Trong cấu trúc phẳng, tất cả các node đều ngang hàng và đồng nhất trong hình dạng và chức năng. Các node giao tiếp với sink qua multihop sử dụng các node ngang hàng làm bộ chuyển tiếp.

Với phạm vi truyền cố định, các node gần trạm cơ sở hơn sẽ đảm bảo vai trò là bộ chuyển tiếp đối với một lượng lớn nguồn tiêu thụ. Giả thiết tất cả các nguồn đều dùng cùng 1 tần số để truyền dữ liệu, vì vậy cần chia sẻ thời gian. Tuy nhiên cách này chỉ có hiệu quả với điều kiện là có nguồn chia sẻ đơn lẻ, ví dụ như thời gian hoặc tần số. b, Cấu trúc phân cấp (tiered architecture) Trong cấu trúc phân cấp, các cụm được tạo ra giúp các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu single hop hay multihop tùy thuộc vào kích thước của cụm đến node định sẵn, thường là node chủ (cluster head).

Trong cấu trúc này các node tạo thành một hệ thống phân cấp mà ở đó mỗi node ở 1 mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã được định sẵn.4 Cấu trúc phân cấp Trong cấu trúc phân cấp thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu không đồng đều giữa các node. Những chức năng này có thể phân chia theo cấp, cấp thấp nhất thực hiện các nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính toán và cấp trên cùng phân phối dữ liệu.5 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp Các nhiệm vụ xác định có thể được phân chia không đồng đều giữa các lớp, ví dụ mỗi lớp có thể thực hiện một nhiệm vụ xác định trong tính toán. Trong trường hợp này, các cảm biến ở cấp thấp nhất đóng vài trò là bộ lọc thông dải đơn giản để tách nhiễu khỏi z 13 tín hiệu, trong đó các node ở cấp cao hơn ngừng việc lọc dữ liệu này và thực hiện các chức năng như tính toán, phân phối dữ liệu. Mạng cảm biến không dây xây dựng theo cấu trúc phân cấp hoạt động hiệu quả hơn mạng cấu trúc phẳng bởi các lý do sau:  Cấu trúc phân cấp có thể giảm chi phí mạng cảm biến bằng việc định vị các tài nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động hiệu quả nhất.

Rõ ràng là nếu triển khai các phần cứng thống nhất, mỗi node chỉ cần 1 lượng tài nguyên tối thiểu để thực hiện tất cả các nhiệm vụ. Vì số lượng các node cần thiết phụ thuộc vào vùng phủ sóng nhất định, chi phí của toàn mạng vì thế sẽ không quá cao. Thay vào đó, nếu số lượng lớn các node có chi phí thấp được chỉ định để phân tích dữ liệu, định vị và đồng bộ, chi phí toàn mạng sẽ giảm xuống.  Mạng cấu trúc phân cấp sẽ có tuổi thọ cao hơn mạng phẳng.

Khi cần tính toán nhiều thì bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời gian yêu cầu thực hiện tính toán. Tuy nhiên, với các nhiệm vụ cảm nhận cần hoạt động trong khoảng thời gian dài, các node tiêu thụ ít năng lượng phù hợp với yêu cầu xử lý tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn.