Luận án tiến sĩ công nghệ thông tin nghiên cứu giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng cho mạng sensor

Luận án tiến sĩ công nghệ thông tin tập trung nghiên cứu giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng cho mạng sensor, ứng dụng hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Duy Tân
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Đình Việt
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ Thông tin
• Đề tài: Nghiên cứu giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng cho mạng sensor
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây (WSN) là một hệ thống gồm nhiều nút cảm biến có khả năng thu thập, xử lý và truyền dữ liệu từ môi trường xung quanh. Các nút này thường được triển khai dày đặc trên một khu vực rộng lớn, có thể di chuyển hoặc đứng yên. Mỗi nút cảm biến bao gồm các thành phần như bộ vi xử lý, bộ nhớ, bộ thu/phát sóng vô tuyến và nguồn năng lượng (pin). Công nghệ MEMS và kiến trúc VLSI đã giúp tạo ra các nút cảm biến nhỏ gọn, giá thành thấp và tiêu thụ năng lượng ít. Các ứng dụng của WSN bao gồm giám sát môi trường, nhà thông minh, giao thông thông minh và chăm sóc sức khỏe.

1.1. Sự ra đời của mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây đã xuất hiện từ những năm 1950 với hệ thống SOSUS dùng để giám sát âm thanh dưới nước. Trong chiến tranh Việt Nam, hệ thống Igloo White với khoảng 30.000 nút cảm biến địa chấn và âm thanh đã được triển khai dọc đường mòn Hồ Chí Minh. Các nút này có khả năng tự định hình và truyền dữ liệu về trung tâm. Sự phát triển của công nghệ MEMS và truyền thông không dây đã thúc đẩy sự ra đời của các mạng cảm biến hiện đại, ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.

II. Định tuyến và định tuyến tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến không dây

Định tuyến là một vấn đề quan trọng trong WSN, đặc biệt là các giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng. Các giải pháp tiết kiệm năng lượng bao gồm tối ưu hóa kiến trúc nút cảm biến, điều khiển truy nhập môi trường truyền dẫn và tổng hợp dữ liệu. Các giao thức định tuyến được phân loại thành kiến trúc phẳng, định tuyến theo thông tin địa lý, dựa trên chất lượng dịch vụ và có thứ bậc. Các giao thức như LEACH, PEGASIS và TEEN đã được phát triển để cải thiện hiệu suất năng lượng và kéo dài tuổi thọ của mạng.

2.1. Giải pháp tiết kiệm năng lượng

Các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong WSN bao gồm tối ưu hóa kiến trúc nút cảm biến, sử dụng các giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) hiệu quả và tổng hợp dữ liệu. Các giao thức như LEACH sử dụng phân cụm để giảm năng lượng tiêu thụ, trong khi PEGASIS sử dụng chuỗi để tối ưu hóa việc truyền dữ liệu. Các giao thức này giúp kéo dài thời gian sống của mạng và cải thiện hiệu suất năng lượng.

III. Định tuyến tiết kiệm năng lượng dựa trên phân cụm

Các giao thức định tuyến dựa trên phân cụm như LEACH và HEED đã được phát triển để cải thiện hiệu suất năng lượng trong WSN. LEACH sử dụng phân cụm ngẫu nhiên để phân phối năng lượng tiêu thụ đồng đều giữa các nút. HEED cải tiến LEACH bằng cách sử dụng thông tin năng lượng còn lại của các nút để chọn cụm trưởng. Các giao thức này giúp giảm năng lượng tiêu thụ và kéo dài tuổi thọ của mạng.

3.1. Kỹ thuật định tuyến phân cụm phân tán

Các kỹ thuật định tuyến phân cụm phân tán như LEACH và HEED sử dụng phân cụm để giảm năng lượng tiêu thụ. LEACH sử dụng phân cụm ngẫu nhiên, trong khi HEED sử dụng thông tin năng lượng còn lại để chọn cụm trưởng. Các giao thức này giúp phân phối năng lượng tiêu thụ đồng đều giữa các nút, kéo dài tuổi thọ của mạng và cải thiện hiệu suất năng lượng.

IV. Định tuyến tiết kiệm năng lượng dựa trên chuỗi

Các giao thức định tuyến dựa trên chuỗi như PEGASIS và IEEPB đã được phát triển để tối ưu hóa việc truyền dữ liệu trong WSN. PEGASIS sử dụng chuỗi để giảm khoảng cách truyền dữ liệu, trong khi IEEPB cải tiến PEGASIS bằng cách sử dụng thông tin năng lượng còn lại để chọn nút truyền dữ liệu. Các giao thức này giúp giảm năng lượng tiêu thụ và kéo dài tuổi thọ của mạng.

4.1. Phân tích tổng hợp dữ liệu

Các giao thức dựa trên chuỗi như PEGASIS và IEEPB sử dụng tổng hợp dữ liệu để giảm lượng dữ liệu truyền trong mạng. PEGASIS sử dụng chuỗi để giảm khoảng cách truyền dữ liệu, trong khi IEEPB cải tiến PEGASIS bằng cách sử dụng thông tin năng lượng còn lại để chọn nút truyền dữ liệu. Các giao thức này giúp giảm năng lượng tiêu thụ và kéo dài tuổi thọ của mạng.

V. Định tuyến tiết kiệm năng lượng dựa trên cây tối thiểu

Các giao thức định tuyến dựa trên cây tối thiểu như SSTBC và DFTBC đã được phát triển để tối ưu hóa việc truyền dữ liệu trong WSN. SSTBC sử dụng cây tối thiểu để giảm khoảng cách truyền dữ liệu, trong khi DFTBC cải tiến SSTBC bằng cách sử dụng thông tin năng lượng còn lại để chọn nút truyền dữ liệu. Các giao thức này giúp giảm năng lượng tiêu thụ và kéo dài tuổi thọ của mạng.

5.1. Lược đồ định tuyến kết hợp với tổng hợp dữ liệu trên cây

Các giao thức dựa trên cây tối thiểu như SSTBC và DFTBC sử dụng tổng hợp dữ liệu để giảm lượng dữ liệu truyền trong mạng. SSTBC sử dụng cây tối thiểu để giảm khoảng cách truyền dữ liệu, trong khi DFTBC cải tiến SSTBC bằng cách sử dụng thông tin năng lượng còn lại để chọn nút truyền dữ liệu. Các giao thức này giúp giảm năng lượng tiêu thụ và kéo dài tuổi thọ của mạng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Mạng cảm biến không dây Các nút cảm biến không dây (wireless sensors) có khả năng cảm biến, thu thập thông tin từ thế giới vật lý rồi chuyển đổi thành dạng tín hiệu số. Nó có thể lưu trữ, truyền tải và xử lý thông qua máy tính và mạng Internet đến người dùng. Khi các thiết bị cảm biến được tích hợp vào các hệ thống khác nhau, chúng đem lại nhiều lợi ích cho đời sống con người như giám sát môi trường, ngôi nhà thông minh, hệ thống giao thông thông minh, hệ thống tự động hóa, chăm sóc sức khỏe, các hệ thống cảnh báo, v.

Cùng với sự phát triển trong công nghệ MEMS kết hợp với kiến trúc vi xử lý VLSI, hệ thống công nghệ nhúng và truyền thông không dây đã sản xuất ra các nút cảm biến không dây có kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp và tiêu thụ năng lượng ít. Thông thường một thiết bị cảm biến chỉ có thể cảm biến được một loại thông tin vật lý như nhiệt độ, độ ẩm, độ rung động, áp suất, nồng độ khí hy-đơ-rô hay khí CO2, v. Mạng cảm biến không dây WSN bao gồm nhiều nút cảm biến thường được triển khai dày đặc, ngẫu nhiên trên một vùng rộng lớn (vùng rừng rậm, đồi núi). Chúng có thể di chuyển hoặc đứng yên sau khi được triển khai.

Mỗi nút cảm biến không dây được trang bị các thành phần như bộ vi xử lý, bộ nhớ, bộ phận thu/phát sóng vô tuyến và nguồn năng lượng (pin) và có thể có cả hệ thống định vị GPS. Các nút cảm biến có nhiệm vụ thu nhận các tín hiệu vật lý từ môi trường xung quanh, các tín hiệu được chuyển đổi từ dạng tín hiệu tương tự (có thể là hình ảnh, âm thanh, v.v) sang tín hiệu số rồi chuyển tới bộ vi xử lý để tạo khả năng quan sát, phân tích, phản ứng lại với các sự kiện và hiện tượng cụ thể. Bộ vi xử lý và bộ nhớ trong nút cảm biến có dung lượng và khả năng tính toán hạn chế. Do đó, các bộ phận này thường tiêu thụ nguồn năng lượng ít hơn nhiều so với bộ phận truyền/nhận.

Bộ phận truyền/nhận tín hiệu không dây có nhiệm vụ điều chế và truyền tín hiệu dưới dạng sóng vô tuyến, đồng thời thu nhận và giải điều chế tín hiệu để vi xử lý có thể hiểu được. Bộ phận thu/phát tiêu thụ năng lượng nhiều hơn các bộ phận khác. Đặc biệt, 1 khi nó truyền tín hiệu với khoảng cách xa [81, 96]. Hệ thống định vị GPS để cho các nút trong mạng sau khi được triển khai biết vị trí (tọa độ) của nút cảm biến trong mạng.

Bộ phận nguồn nuôi (thường là Pin AA có dụng lượng khoảng 3000mAh, 1,5V [81], tùy từng hãng sản xuất) có nhiệm vụ cung cấp điện cho nút hoạt động, có kích thước nhỏ và thường không được sạc điện bổ sung hoặc thay mới trong suốt thời gian nút hoạt động. Do đó, sau khi tiêu thụ hết pin, nút cảm biến sẽ ngừng hoạt động. Các tiêu chuẩn công nghệ được sử dụng phổ biến cho mạng cảm biến không dây bao gồm chuẩn IEEE 802.4 và ZigBee dùng cho truyền thông năng lượng thấp trên băng tần 868 MHz, 915 MHz, và 2,4 GHz [90, 94, 127, 128]. Tất cả các bộ phận trên cấu thành một vi máy tính siêu nhỏ có khả năng đo đạc, thu nhận, xử lý, và truyền tải dữ liệu qua mạng Internet đến người dùng sau khi WSN được triển khai trên một khu vực và đi vào hoạt động.

Vùng cảm biến Internet Trạm cơ sở Người dùng Nút cảm biến Sự kiện Đơn vị xử lý Hệ thống định vị Bộ xử lý ăngten Bộ nhớ Đơn vị truyền thông Đơn vị cảm biến chuyển đổi Cảm biến Bộtương Bộ thu phát tự-số Nguồn năng lượng Hình 1.1: Một mạng cảm biến không dây 2 1. Sự ra đời của mạng cảm biến không dây Vào đầu những năm 1950, một hệ thống cảm biến âm thanh vùng xa dưới nước, đầu tiên được gọi là hệ thống giám sát âm thanh (Sound Surveillance System - SOSUS), đã được triển khai ở các lưu vực nước sâu của Đại Tây Dương và Thái Bình Dương cho việc giám sát tàu ngầm. Chúng kết hợp các mảng được sử dụng để dò tìm, phát hiện và xác định vị trí các mối nguy hại dưới nước. Gần đây, SOSUS đã được thay thế bởi hệ thống giám sát dưới nước phức tạp hơn [19].

Tiếp theo là một trong những mạng cảm biến không dây ra đời sớm nhất trên thế giới được triển khai trong thời gian chiến tranh Việt Nam năm 1967 [81, 130]. Chúng được gọi là "Igloo White" bao gồm khoảng 30000 nút cảm biến địa chấn và âm thanh được rải dọc theo đường mòn Hồ Chí Minh từ bắc Việt Nam, qua Lào và vào miền nam Việt Nam bằng máy bay trực thăng và máy bay chiến đấu. Các nút cảm biến có thể tự định hình với một ăng-ten ra-đi-ô, chúng được thiết kế giống như những tán lá cây xung quanh. Các nút sử dụng nguồn pin Lithium với thời gian sống khoảng 30 ngày.

Các nút thực hiện một ngưỡng cục bộ đơn giản và kích hoạt báo động khi mức độ hoạt động được phát hiện thông qua mạch điện tử. Các nút truyền tín hiệu với công suất 2W trên băng tần UHF theo quỹ đạo của máy bay EC- 121R và truyền đến 360 máy tính IBM ở Nakhon Phanom, Thái Lan để phân tích và xử lý. Từ đó, các nhà phân tích sẽ đưa ra các quyết định không kích chống lại các mục tiêu dựa vào tín hiệu nhận được từ các nút cảm biến. Các ứng dụng điển hình của mạng cảm biến không dây 1.

Các ứng dụng đã được áp dụng trong thực tế Ứng dụng trong giám sát môi trường: Giám sát môi trường được xem là một hướng ứng dụng điển hình cho mạng cảm biến không dây, chúng bao gồm việc theo dõi, đo đạc và tính toán để đưa ra dự báo sớm về các thảm họa thiên tai như động đất, lũ lụt, sự hoạt động của núi lửa, dự báo cháy rừng, theo dõi sự di chuyển, sinh hoạt của các loài động vật hoang dã, nghiên cứu môi trường sống, nghiên cứu thời tiết hoặc địa vật lý, theo dõi các mối nguy 3 hiểm khác nhau cho xã hội loài người như nghiên cứu sự ô nhiễm của nguồn nước, đo hàm lượng khí CO2 trong một khu vực dân cư, đo độ ẩm, áp suất không khí, tốc độ gió, v. Trong [26, 79, 107] các tác giả đã cho chúng ta thấy khá toàn diện về ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong lĩnh vực này. Ứng dụng trong an ninh, quốc phòng: Mạng cảm biến không dây với các đặc tính có thể triển khai nhanh, chi phí thấp và rất thích hợp trên khu vực đồi núi, vùng rừng rậm nguy hiểm cùng với mục đích ứng dụng trong quân sự và an ninh quốc phòng. Do đó, các ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong lĩnh vực này là rất phong phú, ví dụ như: Giám sát lực lượng, trang thiết bị và đạn dược, giám sát chiến trường, theo dõi trận địa, do thám lực lượng và trận địa đối phương, xác định mục tiêu; đánh giá tổn thất sau trận chiến, thăm dò, phát hiện và cảnh báo các cuộc tấn công bằng hóa học, sinh học và hạt nhân [4, 96].

Ứng dụng trong y tế và chăm sóc sức khỏe: Các nút cảm biến không dây có thể được gắn vào vải quần áo của người mặc nó để liên tục đo, theo dõi các thông số sức khoẻ như nhiệt độ cơ thể, huyết áp, nhịp tim, điện tâm đồ, điện não đồ, độ bão hòa oxy trong máu v. sau đó truyền không dây đến một trạm giám sát từ xa để theo dõi, nghiên cứu tình trạng sức khỏe tổng thể của người mặc [80, 90]. Đặc biệt hơn, các thiết bị cảm biến tin sinh siêu nhỏ có thể được cấy trực tiếp vào cơ thể bệnh nhân để theo dõi các cơn đau tim, các trận hen suyễn, ức chế thần kinh, sự phát triển của ung thư, nồng độ đường trong máu, tỷ lệ hô hấp v. Các thông số này được thu thập và gửi đến máy tính cá nhân của các bác sỹ thông qua mạng Internet.

Các bác sỹ sẽ dựa vào giá trị của các thông số này mà có thể theo dõi được tình trạng sức khỏe của từng bệnh nhân từ đó đưa ra các phương pháp điều trị phù hợp mà không cần phải đến trực tiếp phòng bệnh nhân. Cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin, sự tăng lên của nhu cầu trong đời sống con người, mạng cảm biến không dây ngày càng được ứng dụng nhiều hơn 4 trong đời sống con người tạo nên ngôi nhà thông minh, hệ thống giao thông thông minh, v. Các ứng dụng trong tương lai và các yêu cầu kèm theo Ngôi nhà thông minh (Smart home): Cùng với sự phát triển mạng mẽ của công nghệ mạng không dây như hiện nay, mạng cảm biến không dây trong tương lai sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành ngôi nhà thông minh, nơi mà các đồ dùng quen thuộc đều được gắn các nút cảm biến, nó có thể thực hiện các công việc hằng ngày một cách tự động hoặc thông qua sự điều khiển của con người. Ví dụ máy điều hòa nhiệt độ có thể tự điều chỉnh nhiệt độ trong nhà sao cho phù hợp với con người hoặc hệ thống kiểm soát cường độ chiếu sáng của hệ thống đèn trong nhà sao cho phù hợp với khung cảnh và giúp tiết kiệm điện, hệ thống camera giám sát đảm bảo an ninh, hệ thống khóa cửa tự động trong nhà, v.

Cảm biến thông minh (Cognitive sensor): Các nút cảm biến không dây có thể cảm nhận phổ tần số thông minh trên băng tần được cấp phép hoặc không cấp phép, từ đó truy cập phổ theo cơ hội (opportunistic spectrum) mà không làm ảnh hưởng đến người dùng chính. Thành phố thông minh (Smart Cities): Các nút cảm biến thông minh sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành thành phố thông minh, nơi mà công nghệ thông tin và truyền thông kết nối các nút cảm biến thông minh, mạng không dây tốc độ cao, xử lý dữ liệu lớn được ứng dụng để nâng cao chất lượng cuộc sống nơi đô thị. Ví dụ: Sử dụng cảm biến thông minh để điều khiển hệ thống đèn giao thông hoạt động tiết kiệm năng lượng, điều khiển luồng trong thành phố để tránh tắc nghẽn, chăm sóc sức khỏe tại nhà, giám sát mức độ ô nhiễm trong không khí để kịp thời cung cấp thông tin cảnh báo cho người dân, … Để đáp ứng được các ứng dụng trên, yêu cầu các nút cảm biến cần được trang bị nhiều bộ thu phát sóng vô tuyến, có kích thước nhỏ, dung lượng pin lớn và khả năng xử lý, tính toán mạnh hơn nữa.