Nghiên Cứu Xây Dựng Thuật Toán Định Tuyến Năng Lượng Cho Mạng Cảm Biến Không Dây

• Tác giả: Vũ Chiến Thắng
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Chấn Hùng
• Trường học: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
• Chuyên ngành: Kỹ thuật chuyển mạch
• Đề tài: Nghiên Cứu Thuật Toán Định Tuyến Năng Lượng Cho Mạng Cảm Biến Không Dây
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
• 1.1. Vấn đề năng lượng tiêu thụ trong mạng cảm biến không dây
• 1.2. Tổng quan về vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến không dây
• 1.3. Khái niệm và phân loại các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây
• 1.4. Thước đo định tuyến
• 1.5. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây ảnh hưởng đến vấn đề định tuyến
• 1.6. Những thách thức đối với vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến không dây
• 1.7. Một số phương pháp thiết kế giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây
• 1.8. Một số giao thức định tuyến hiệu quả về mặt năng lượng cho mạng cảm biến không dây
• 1.8.1. Giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu
• 1.8.2. Giao thức định tuyến dựa trên sự phân cụm
• 1.8.3. Giao thức định tuyến dựa trên vị trí
• 1.8.4. Giao thức cây thu thập dữ liệu CTP
• 1.9. Thước đo định tuyến được sử dụng trong giao thức CTP
• 1.10. Cấu trúc các bản tin trong giao thức CTP
• 1.11. Các thành phần chính của giao thức CTP
• 1.12. Điểm yếu của giao thức CTP
• 1.13. Bài toán định tuyến cây thu thập dữ liệu có sự nhận thức về năng lượng
• 1.14. Hiện trạng nghiên cứu và phương pháp tiếp cận bài toán định tuyến có sự nhận thức về năng lượng trong các nghiên cứu trước đây
• 1.14.1. Định tuyến với tổng năng lượng tối thiểu MTPR (Minimal Total Power Routing)
• 1.14.2. Định tuyến với chi phí nguồn pin nhỏ nhất (Minimum Battery Cost Routing)
• 1.14.3. Giao thức định tuyến nhận thức về năng lượng EAR (Energy Aware Routing)
• 1.14.4. Giao thức định tuyến E-Span (Energy-Aware Spanning Tree Algorithm)
• 1.14.5. Giao thức định tuyến có sự nhận thức về năng lượng và cân bằng tải
• 1.14.6. Giao thức định tuyến BRE (Bursty Routing Extensions)
• 1.14.7. Giao thức định tuyến BCTP (Balanced Collection Tree Protocol)
• 1.14.8. Giao thức định tuyến ICTP (Improved Collection Tree Protocol)
• 1.14.9. Giao thức định tuyến EQLR (Energy and Link Quality Based Routing Tree)
• 1.14.10. Giao thức định tuyến ELR (Energy Aware and Link Quality Based Routing Protocol)
• 1.14.11. Giao thức định tuyến EARBB (Energy Aware Routing Based on Beaconing)
• 1.15. Giải pháp tiếp cận bài toán trong luận án
• 1.16. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: GIAO THỨC CÂY THU THẬP DỮ LIỆU CÓ SỰ NHẬN THỨC VỀ NĂNG LƯỢNG
• 2.1. Đề xuất mô hình toán học cho bài toán định tuyến cây thu thập dữ liệu có sự nhận thức về năng lượng
• 2.2. Mô hình kết nối giữa các nút mạng cảm biến không dây dựa trên lý thuyết đồ thị
• 2.3. Các vấn đề về nhiễu trong mạng cảm biến không dây
• 2.4. Mô hình bài toán định tuyến cây thu thập dữ liệu có sự nhận thức về năng lượng dựa trên lý thuyết đồ thị
• 2.5. Đề xuất giao thức cây thu thập dữ liệu có sự nhận thức về năng lượng EACTP
• 2.6. Mục tiêu và những thách thức trong việc đề xuất giao thức EACTP
• 2.7. Những đề xuất cải tiến trong giao thức EACTP
• 2.8. Thực thi giao thức EACTP
• 2.8.1. Lựa chọn môi trường phát triển phần mềm
• 2.8.2. Thực thi giao thức EACTP trên hệ điều hành Contiki
• 2.9. Đánh giá giao thức EACTP dựa trên mô phỏng
• 2.9.1. Các tham số đánh giá
• 2.9.2. Mô hình đánh giá mô phỏng 1
• 2.9.3. Mô hình đánh giá mô phỏng 2
• 2.10. Đánh giá giao thức EACTP dựa trên cơ sở phân tích lý thuyết
• 2.11. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: TRIỂN KHAI ĐÁNH GIÁ THỰC NGHIỆM
• 3.1. Phần cứng cho mạng cảm biến không dây
• 3.2. Cấu trúc phần cứng của một nút mạng cảm biến không dây
• 3.3. Khảo sát một số nền tảng phần cứng cho mạng cảm biến không dây
• 3.4. Đề xuất cấu trúc phần cứng TUmote
• 3.5. Bộ vi điều khiển MSP430
• 3.6. Bộ thu phát vô tuyến CC2420EM
• 3.7. Cảm biến SHT11
• 3.8. Bộ nhớ ngoài
• 3.9. Nguồn cung cấp
• 3.10. Các thông số kỹ thuật chính của phần cứng TUmote
• 3.11. Triển khai mô hình đánh giá thực nghiệm với giao thức EACTP sử dụng phần cứng TUmote
• 3.11.1. Mô hình đánh giá thực nghiệm 1
• 3.11.2. Mô hình đánh giá thực nghiệm 2
• 3.12. Kết luận chương 3
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về Nghiên Cứu Thuật Toán Định Tuyến Năng Lượng

Nghiên cứu về thuật toán định tuyến năng lượng cho mạng cảm biến không dây là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ thông tin. Mạng cảm biến không dây (WSN) bao gồm nhiều nút cảm biến nhỏ gọn, hoạt động độc lập và có khả năng thu thập dữ liệu từ môi trường. Việc tối ưu hóa định tuyến năng lượng giúp kéo dài tuổi thọ của mạng và nâng cao hiệu suất truyền tải dữ liệu. Các nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc phát triển các giao thức định tuyến thông minh, nhằm cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng và giảm thiểu tiêu thụ năng lượng trong quá trình truyền thông.

1.1. Khái niệm về Mạng Cảm Biến Không Dây

Mạng cảm biến không dây là một hệ thống bao gồm nhiều nút cảm biến phân bố rải rác, có khả năng thu thập và truyền tải dữ liệu về một điểm trung tâm. Các nút này thường sử dụng pin và có thời gian hoạt động hạn chế, do đó việc tối ưu hóa năng lượng là rất cần thiết.

1.2. Tầm quan trọng của Định Tuyến Năng Lượng

Định tuyến năng lượng trong mạng cảm biến không dây không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy của mạng. Việc sử dụng các thuật toán định tuyến hiệu quả có thể kéo dài tuổi thọ của mạng và cải thiện khả năng thu thập dữ liệu.

II. Những Thách Thức trong Định Tuyến Năng Lượng

Mặc dù có nhiều tiến bộ trong nghiên cứu thuật toán định tuyến, vẫn tồn tại nhiều thách thức lớn trong việc tối ưu hóa năng lượng cho mạng cảm biến không dây. Các vấn đề như độ tin cậy của kết nối, sự phân bố không đồng đều của các nút cảm biến và sự thay đổi trong môi trường hoạt động đều ảnh hưởng đến hiệu suất của mạng. Đặc biệt, việc cân bằng năng lượng giữa các nút là một thách thức lớn, vì các nút có thể hết năng lượng nhanh chóng nếu không được quản lý đúng cách.

2.1. Vấn đề Cân Bằng Năng Lượng

Cân bằng năng lượng giữa các nút trong mạng là rất quan trọng để tránh tình trạng một số nút nhanh chóng hết năng lượng, dẫn đến lỗ hổng trong mạng. Việc phát triển các giao thức định tuyến có khả năng phân bổ tải đều giữa các nút là cần thiết.

2.2. Ảnh hưởng của Môi Trường đến Định Tuyến

Môi trường hoạt động của mạng cảm biến không dây có thể thay đổi liên tục, ảnh hưởng đến chất lượng kết nối và hiệu suất truyền tải dữ liệu. Các yếu tố như nhiễu, cản trở vật lý và điều kiện thời tiết cần được xem xét trong quá trình thiết kế giao thức.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Định Tuyến Năng Lượng

Để giải quyết các thách thức trong định tuyến năng lượng, nhiều phương pháp đã được đề xuất. Các giao thức định tuyến như EAR (Energy Aware Routing) và EACTP (Energy Aware Collection Tree Protocol) đã được phát triển nhằm tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến không dây. Những phương pháp này không chỉ tập trung vào việc giảm thiểu tiêu thụ năng lượng mà còn đảm bảo tính hiệu quả trong việc thu thập dữ liệu.

3.1. Giao Thức EAR

Giao thức EAR được thiết kế để nhận thức về năng lượng, giúp các nút trong mạng tự động điều chỉnh cách thức truyền tải dữ liệu dựa trên mức năng lượng hiện có. Điều này giúp kéo dài tuổi thọ của mạng và cải thiện hiệu suất tổng thể.

3.2. Giao Thức EACTP

EACTP là một giao thức mới được phát triển nhằm cải thiện khả năng cân bằng năng lượng giữa các nút mạng. Giao thức này sử dụng các thuật toán thông minh để tối ưu hóa đường truyền dữ liệu, từ đó nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của mạng.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn của Định Tuyến Năng Lượng

Các nghiên cứu về thuật toán định tuyến năng lượng đã cho thấy nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như giám sát môi trường, y tế và nông nghiệp thông minh. Việc áp dụng các giao thức định tuyến hiệu quả giúp cải thiện khả năng thu thập dữ liệu và giảm thiểu chi phí vận hành. Các ứng dụng này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

4.1. Giám Sát Môi Trường

Trong lĩnh vực giám sát môi trường, các mạng cảm biến không dây được sử dụng để thu thập dữ liệu về chất lượng không khí, nước và đất. Việc tối ưu hóa định tuyến năng lượng giúp kéo dài thời gian hoạt động của các nút cảm biến trong môi trường khắc nghiệt.

4.2. Ứng Dụng trong Y Tế

Trong y tế, mạng cảm biến không dây có thể được sử dụng để theo dõi sức khỏe bệnh nhân từ xa. Các giao thức định tuyến hiệu quả giúp đảm bảo dữ liệu được truyền tải liên tục và đáng tin cậy, từ đó nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe.

V. Kết Luận và Tương Lai của Nghiên Cứu

Nghiên cứu về thuật toán định tuyến năng lượng cho mạng cảm biến không dây đang ngày càng trở nên quan trọng trong bối cảnh công nghệ phát triển nhanh chóng. Các giao thức mới như EACTP đã cho thấy tiềm năng lớn trong việc cải thiện hiệu suất và kéo dài tuổi thọ của mạng. Tương lai của nghiên cứu này sẽ tiếp tục tập trung vào việc phát triển các giải pháp thông minh hơn, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong các ứng dụng thực tiễn.

5.1. Xu Hướng Nghiên Cứu Tương Lai

Các xu hướng nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc phát triển các giao thức định tuyến thông minh hơn, có khả năng tự học và thích ứng với các điều kiện môi trường khác nhau.

5.2. Tích Hợp Công Nghệ Mới

Việc tích hợp các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và học máy vào các giao thức định tuyến sẽ mở ra nhiều cơ hội mới, giúp tối ưu hóa hiệu suất và khả năng tự động hóa trong mạng cảm biến không dây.