Chương 1: Bài toán định tuyến trong mạng cảm biến không dây. Chƣơng này trình bày những kết quả nghiên cứu khảo sát và đánh giá về các giao thức định tuyến dựa trên sự nhận thức về năng lƣợng cho mạng cảm biến không dây, phát biểu bài toán định tuyến có sự nhận thức về năng lƣợng với giao thức cây thu thập dữ liệu và lựa chọn phƣơng pháp tiếp cận bài toán của tác giả trong luận án. Chương 2: Giao thức cây thu thập dữ liệu có sự nhận thức về năng lượng. Chƣơng này đề xuất một giao thức định tuyến mới EACTP có sự nhận thức về năng lƣợng.
Giao thức EACTP đƣợc xây dựng nhằm đảm bảo sự cân bằng năng lƣợng giữa các nút mạng thuộc những tuyến đƣờng có chất lƣợng liên kết tốt và nâng cao thời gian sống của các nút mạng. Một số kết quả thực thi và đánh giá giao thức EACTP dựa trên công cụ mô phỏng Cooja cũng đƣợc trình bày trong chƣơng này. Chương 3: Triển khai đánh giá thực nghiệm. Trong chƣơng này, tác giả xây dựng một hệ thống triển khai thực nghiệm dựa trên 10 nút cảm biến phần cứng TUmote (Thainguyen University mote).
Hệ thống triển khai thực nghiệm này cho phép tùy biến, tích hợp các chức năng định tuyến mới và đánh giá hiệu năng của các giao thức này trong điều kiện thực tế. Một số kết quả đánh giá so sánh hiệu năng giữa giao thức EACTP và giao thức CTP thông qua một số mô hình triển khai thực nghiệm cũng đƣợc trình bày trong chƣơng này. Cuối cùng, tác giả đƣa ra một số kết luận về kết quả thực hiện luận án và một số kiến nghị đề xuất cho luận án. 16 Ngoài các nội dung chính đƣợc trình bày trong các chƣơng kể trên, những nội dung tham khảo mở rộng đƣợc trình bày trong năm phụ lục: Phụ lục 1: Bản thiết kế sơ đồ nguyên lý và sơ đồ mạch in phần cứng TUmote.
Phụ lục 2: Ngăn xếp truyền thông RIME trong hệ điều hành Contiki. Phụ lục 3: Giao thức ContikiMAC trong hệ điều hành Contiki. Phụ lục 4: Đánh giá mô phỏng với Cooja. Phụ lục 5: Đánh giá thực nghiệm với TUmote.
Đóng góp của luận án Trong quá trình hoạt động của mạng cảm biến không dây đòi hỏi phải có các giải pháp mới để đảm bảo sự cân bằng năng lƣợng giữa các nút mạng thuộc những tuyến đƣờng có chất lƣợng liên kết tốt và nâng cao thời gian sống của các nút mạng. Trong đó, vấn đề định tuyến có sự nhận thức về năng lƣợng đƣợc coi là giải pháp quan trọng. Trên cơ sở phân tích mô hình toán học dựa trên lý thuyết đồ thị cho giao thức cây thu thập dữ liệu có sự nhận thức về năng lƣợng, tác giả đã có một số đóng góp mới trong luận án nhƣ sau: Đề xuất một giao thức định tuyến mới đó là giao thức cây thu thập dữ liệu có sự nhận thức về năng lƣợng - EACTP (Energy Aware Collection Tree Protocol). Trong giao thức EACTP, tác giả đã thực hiện một số cải tiến: Thứ nhất, tác giả đã bổ sung thêm thành phần ƣớc lƣợng năng lƣợng còn lại trên mỗi nút cảm biến; Thứ hai, tác giả đã đề xuất một thƣớc đo định tuyến mới đó là trạng thái năng lƣợng còn lại ES (Energy State) để xác định tuyến đƣờng tối ƣu trong mạng; Thứ ba, tác giả đã đề xuất một thuật toán lựa chọn tuyến đƣờng tối ƣu mới dựa trên sự kết hợp giữa hai thƣớc đo định tuyến là chất lƣợng liên kết của tuyến đƣờng và trạng thái năng lƣợng còn lại trên nút chuyển tiếp.
Mô phỏng và đánh giá hiệu năng giao thức EACTP thông qua một số mô hình mạng. Tác giả đã xác định các thƣớc đo đánh giá phù hợp cho bài toán định tuyến EACTP và đƣa ra một số kết quả đánh giá so sánh hiệu năng giữa giao thức EACTP và giao thức CTP. Các kết quả đánh giá mô phỏng cho thấy thời gian sống của mạng khi hoạt động theo EACTP mới đề xuất đƣợc cải thiện tốt hơn so với giao thức CTP ban đầu. 17 Xây dựng một môi trƣờng thực nghiệm dựa trên 10 nút cảm biến phần cứng TUmote (Thainguyen University mote), cho phép tùy biến, tích hợp các chức năng định tuyến mới và đánh giá hiệu năng của các giao thức CTP, EACTP trong điều kiện thực tế.
Môi trƣờng thực nghiệm này hoàn toàn có thể sử dụng lại đƣợc cho các nghiên cứu thực nghiệm khác trong lĩnh vực mạng cảm biến không dây và có thể rút ngắn thời gian để đƣa các mô hình nghiên cứu lý thuyết sang các mô hình thực nghiệm có tính ứng dụng. Kết quả đánh giá thực nghiệm trên 10 nút cảm biến phần cứng TUmote đã kiểm chứng lại tính đúng đắn của các kết quả mô phỏng cũng nhƣ những lập luận về tính hiệu quả của giao thức EACTP mới đề xuất. BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Các mạng cảm biến không dây đƣợc triển khai cho các ứng dụng giám sát và tƣơng tác với môi trƣờng vật lý. Mặc dù mạng cảm biến không dây bao gồm các nút cảm biến đơn giản với tài nguyên hạn chế nhƣng mạng cảm biến có thể phải thực hiện nhiều nhiệm vụ phức tạp, trong đó cần có sự tƣơng tác giữa các nút mạng.
Các nút cảm biến không dây có nguồn năng lƣợng và phạm vi truyền sóng hạn chế. Do đó, để truyền đƣợc dữ liệu về điểm thu thập thì các nút cảm biến phải thực hiện việc chuyển tiếp các bản tin thông qua các nút lân cận của chúng. Vì vậy, các giao thức định tuyến đóng một vai trò hết sức quan trọng trong mạng cảm biến không dây. Chƣơng này sẽ mô tả những thách thức đối với vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến không dây và các giải pháp định tuyến dựa trên sự nhận thức về năng lƣợng đã đƣợc nghiên cứu, đề xuất cho mạng cảm biến không dây.
Vấn đề năng lƣợng tiêu thụ trong mạng cảm biến không dây Vấn đề năng lƣợng tiêu thụ của nút cảm biến rất quan trọng bởi vì nhiều nút cảm biến bị hạn chế về nguồn năng lƣợng. Các nút cảm biến không dây có thể hoạt động bằng pin hoặc cũng có thể từ các nguồn năng lƣợng khác đƣợc tích trữ từ môi trƣờng. Trong cả hai trƣờng hợp, năng lƣợng đều là một nguồn tài nguyên hạn chế. Để kéo dài thời gian sống của mạng thì phần mềm trên các nút cảm biến cần phải quản lý năng lƣợng tiêu thụ một cách hiệu quả.
Hạn chế về tài nguyên năng lƣợng đã ảnh hƣởng nhiều đến việc thiết kế phần cứng, phần mềm, giao thức mạng và cả kiến trúc mạng. Các nhà thiết kế phần cứng bắt buộc phải lựa chọn các linh kiện phần cứng có công suất thấp cũng nhƣ hỗ trợ chế độ ngủ hiệu quả về mặt năng lƣợng. Phần mềm chạy trên các nút cảm biến không dây cần phải tắt các thành phần phần cứng không sử dụng và đặt các thành phần phần cứng ở chế độ ngủ càng nhiều càng tốt. Nhờ sự hỗ trợ của các nhà phát triển phần mềm, các nút mạng cảm biến có thể chạy hệ điều hành hỗ trợ các cơ chế hoạt động công suất thấp giúp tiết kiệm năng lƣợng.
Vấn đề hiệu quả năng lƣợng ảnh hƣởng nhiều đến kiến trúc mạng cũng nhƣ việc thiết kế các giao thức mạng. Trong mạng, quá trình truyền thông tiêu tốn nhiều năng lƣợng. Do vậy, điều quan trọng là cần xây dựng đƣợc các giao thức truyền 19 thông sao cho các nút cảm biến có thể sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên sẵn có. Do đó, phần cứng và phần mềm cần xác định đƣợc sự tiêu hao về năng lƣợng và cung cấp thông tin này đến tầng mạng để phục vụ cho việc định tuyến dữ liệu.
Tổng quan về vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến không dây 1. Khái niệm và phân loại các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây Định tuyến là một trong những giao thức quan trọng trong mạng cảm biến không dây. Nhiệm vụ của các giao thức định tuyến là tìm ra đƣợc tuyến đƣờng tốt nhất từ nguồn đến đích. Một mạng cảm biến không dây có thể bao gồm hàng trăm, hàng nghìn nút mạng.
Các nút mạng thƣờng là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, sử dụng nguồn năng lƣợng hạn chế (thƣờng dùng pin), có thời gian hoạt động lâu dài (từ vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trƣờng khắc nghiệt (nhƣ trong môi trƣờng độc hại, ô nhiễm, nhiệt độ cao…).1: Mô hình mạng cảm biến không dây với các nút cảm biến phân bố rải rác trong trƣờng cảm biến. Các nút cảm biến đƣợc phân bố rải rác trong trƣờng cảm biến nhƣ đƣợc minh họa ở hình 1. Mỗi nút cảm biến có khả năng thu thập và định tuyến dữ liệu đến một điểm thu thập (Sink/Gateway) và ngƣời dùng cuối. Trong mạng cảm biến không dây, các nút cảm biến thực hiện đồng thời cả hai chức năng đó là: Chức năng sinh dữ liệu: Các nút cảm biến thu thập thông tin về các sự kiện trong trƣờng cảm biến và thực hiện việc truyền thông để gửi dữ liệu của chúng về điểm thu thập.
20 Chức năng định tuyến dữ liệu: Các nút cảm biến cũng tham gia vào quá trình chuyển tiếp các bản tin nhận đƣợc từ các nút lân cận trong tuyến đƣờng đa chặng đến điểm thu thập. Trong thời gian qua, đã có nhiều giao thức định tuyến khác nhau đƣợc đề xuất cho mạng cảm biến không dây. Các giao thức định tuyến này có thể đƣợc phân loại thành bốn nhóm sau: Định tuyến phẳng, định tuyến phân cấp, định tuyến dựa vào thông tin vị trí và định tuyến dựa vào chất lƣợng dịch vụ [14].2 giới thiệu một số giao thức định tuyến thuộc bốn nhóm này.2: Phân loại các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây. Thƣớc đo định tuyến Trong các giao thức định tuyến, thƣớc đo định tuyến là thành phần quan trọng của chiến lƣợc định tuyến.
Giao thức định tuyến sẽ tính toán đƣờng đi ngắn nhất dựa trên các thƣớc đo định tuyến này. Một số thƣớc đo định tuyến có thể đƣợc sử dụng trong mạng cảm biến không dây nhƣ: Độ tin cậy của liên kết: Rất nhiều bài báo nghiên cứu đã khảo sát các thƣớc đo đánh giá độ tin cậy cho các liên kết tổn hao cũng nhƣ các liên kết công suất thấp. Thƣớc đo đánh giá độ tin cậy đƣợc sử dụng phổ biến nhất là số lần truyền kỳ vọng ETX (Expected Transmission). Số lần truyền kỳ vọng ETX đặc trƣng cho số lần truyền dẫn bản tin trung bình cần thiết để truyền thành công một bản tin.
Độ trễ: Đƣợc sử dụng để thông báo trễ tuyến đƣờng.