nén dữ liệu trên mạng cảm biến không dây

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LÂM VĂN LỢI

ĐỀ TÀI
NÉN DỮ LIỆU TRÊN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Chuyên ngành: Công nghệ thông tin

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Công nghệ thông tin

Người hướng dẫn khoa học
TS. Ngô Quỳnh Thu

Hà Nội - 2015


MỤC LỤC

DANH CỤM CÁC TỪ VIẾT TẮT............................................................ 4
DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................... 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .................................................................... 5
MỞ ĐẦU ...................................................................................................... 6
Chương 1 ...................................................................................................... 8
TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .......................... 8
I. Giới thiệu về mạng cảm biến không dây ............................................... 8
1. Giới thiệu chung................................................................................ 8
2. Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây .................................. 9
3. Kiến trúc mạng cảm biến ................................................................ 10

II. Các chỉ tiêu của mạng cảm biến không dây ....................................... 17
1. Thời gian sống ................................................................................ 17
2. Kích thước và chi phí ...................................................................... 18
3. Truyền thông ................................................................................... 18
4. Khả năng tính toán .......................................................................... 19
5. Đồng bộ thời gian ........................................................................... 19
III. Các hướng nghiên cứu giảm thiểu tiêu hao năng lượng trong mạng
cảm biến không dây........................................................................................... 19
1. Tổng quan về năng lượng ............................................................... 19
2. Mô hình năng lượng........................................................................ 20
3. Những nguyên nhân gây lãng phí năng lượng ................................ 21
4. Các hướng tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến không dây 21
IV. Internet of things ............................................................................... 28
V. Mô hình mạng sử dụng giao thức định tuyến RPL - IP6 routing
protocol for Low power and Lossy Network .................................................... 29
1. Vấn đề định tuyến ........................................................................... 29
2. Tổng quan về giao thức định tuyến RPL ........................................ 30
Chương 2 .................................................................................................... 39
NÉN DỮ LIỆU TRÊN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ................. 39
I. Bài toán đặt ra ...................................................................................... 39
2


II. Các giải pháp nén dữ liệu trên mạng cảm biến không dây ................ 40
1. Nhận xét chung ............................................................................... 40
2. Nén dữ liệu dựa trên giá trị chênh lệch ........................................... 40
3. Nén dữ liệu dựa trên hàm tiên đoán tuyến tính .............................. 41
4. Kỹ thuật tập hợp dữ liệu-Data aggregation techniques .................. 43
5. Khả năng ứng dụng ......................................................................... 46
Chương 3 .................................................................................................... 47

MÔ PHỎNG NÉN DỮ LIỆU BẰNG PHẦN MỀM OMNET++ ......... 47
I. Giới thiệu ............................................................................................. 47
1. Omnet++ là gì? ............................................................................... 47
2. Các thành phần chính của Omnet++............................................... 47
3. Ứng dụng ........................................................................................ 48
4. Mô hình trong Omnet++ ................................................................. 48
II. Mô phỏng nén dữ liệu trên mạng cảm biến không dây...................... 48
1. Xây dựng các nút cảm biến............................................................. 50
2. Xây dựng modul giao thức RPL ..................................................... 50
3. Cài đặt các phương pháp nén sử dụng giao thức định tuyến RPL . 50
KẾT LUẬN ................................................................................................ 63
Tài liệu tham khảo .................................................................................... 65

3


DANH CỤM CÁC TỪ VIẾT TẮT
ADC

Alalog Digital Convert

CPU

Center processor unit

CSMA

Carrier sense multiple access

DRAM

Dynamic Random Access Memory

IoT

Internet of Things

MAC

Medium Access Control

MEMS

Micro electromechanical systems

TDMA

Task Assignment and Data Advertisement Protocol

PN

Processing node

WSN

Wireless sensor network

4

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1: Bảng so sánh một số đặc điểm của các dạng kiến trúc mạng…….. 16
Bảng 2: Dữ liệu cảm biến dùng để mô phỏng……………………………... 39
Bảng 3: Dữ liệu sau khi chuyển đổi nhân thêm hệ số……………………… 50
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1: Sơ đồ một mạng cảm biến không dây – WSN............................

8

Hình 2: Cấu trúc một nút sensor…………………………………………... 12
Hình 3: Mô hình bố trí nút cảm biến…………………………………….

13

Hình 4: Kiến trúc mạng đơn……………………………………………..

13

Hình 5: Kiến trúc mạng liên kết bước……………………………………

14

Hình 6: Kiến trúc mạng liên kết bó………………………………………. 15
Hình 7: Phân loại phương pháp hướng dữ liệu………………………….

23

Hình 8: Mô hình RPL DAG………………………………………………

32

Hình 9: RPL Instance và DRAG sequence number………………..……… 33
Hình 10: Cấu trúc bản tin UDP/Ipv6…………………………....………… 38
Hình 11: Khái niệm về mô hình tập hợp dữ liệu dựa trên cây………….

44

Hình 12: Sơ đồ mạng với 80 nút cảm biến………………………………

58

Hình 13: So sánh năng lượng tiêu hao trong toàn mạng sử dụng phương
pháp chênh lệch dữ liệu với dữ liệu không nén………….....…… 59
Hình 14: So sánh năng lượng tiêu hao giữa không nén với nén dự đoán….. 59
Hình 15: So sánh năng lượng tiêu hao giữa không nén với kỹ thuật tập
hợp dữ liệu………………………………………………………. 60
Hình 16: So sánh năng lượng tiêu hao giữa nén Chênh lệch, Tuyến tính và
Dựa trên cây…………………………………………………….. 60
Hình 17: Năng lượng tiêu hao toàn mạng giữa các phuong pháp nén và
không nén…………………………..………………………….
61
Hình 18: So sánh năng lượng còn lại của các nút mạng …………………

61

Hình 19: Sự chênh lệch dữ liệu nhiệt độ giữa các phương pháp nén với dữ
liệu gốc ………………………………………………………..
62

5


MỞ ĐẦU
Ngày nay, cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật trên
thế giới, đặc biệt ứng dụng công nghệ thông tin trong những năm gần đây đã trở
nên phổ biến và không thể thiếu trong cuộc sống con người. Mạng cảm biến
không dây (WSN) cũng không ngừng phát triển và đòi hỏi những yêu cầu cao
hơn, nhằm phục vụ mục đích ứng dụng, nghiên cứu khoa học trong nhiều lĩnh
vực như y tế, giáo dục, quân sự, cảnh báo,…
Tuy nhiên, mạng cảm biến vẫn luôn đặt ra nhiều thách thức và yêu cầu
trong quá trình triển khai, với những hạn chế về năng lượng, khả năng xử lý và
tính chất đặc thù của mạng. Việc mở rộng, triển khai mạng cảm biến không dây,
ngoài yếu tố lựa chọn một giao thức định tuyến phù hợp cần có phương pháp
khác làm giảm thiểu việc tiêu tốn năng lượng, một trong những phương pháp đó
phải kể đến là phương pháp nén dữ liệu để giảm bớt khối lượng dữ liệu phải
truyền trong mạng.
Nén dữ liệu trên mạng cảm biến đã được nhiều các nhà khoa học, nhà
nghiên cứu, các tổ chức trên thế giới nghiên cứu, song đây vẫn là lĩnh vực rộng
lớn mà ta chưa khai thác hết được. Trong phạm vi đề tài này em xin đề xuất một
số phương pháp nén dữ liệu cho mạng cảm biến không dây, ứng dụng được với
nhiều kịch bản khác nhau nhằm mục đích giảm thiểu tiêu hao năng lượng trong
toàn mạng. Các giải thuật được cài đặt trong ứng dụng với các kiểu dữ liệu nhất
định như đo đạc các thông số nhiệt độ, độ ẩm và cường độ ánh sáng của môi
trường. Khi sử dụng các giải thuật nén, tổng số dữ liệu cảm biến được gửi sẽ
được giảm đi, do đó sự tiêu hao năng lượng cũng sẽ giảm và thời gian sống của
mạng sẽ tăng lên.
Để ứng dụng trong thực tiễn, em sử dụng giao thức định tuyến RPL - IP6
Routing protocol for Low power and lossy network và kết hợp các kỹ thuật nén
dữ liệu cảm biến khi xây dựng mạng cảm biến.

Luận văn này được thực hiện trong khuân khổ đề tài B2013-01-83.
Nội dung được trình bày trong 3 chương như sau:
CHƯƠNG 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Trình bày một số lý thuyết, các kiến trúc cơ bản của mạng cảm biến không
dây. Các yếu tố quyết định trong việc tiết kiệm năng lượng của các nút cảm biến
và các chỉ tiêu khác để đánh giá một mạng cảm biến. Mô hình mạng sử dụng giao
thức định tuyến RPL.
6


CHƯƠNG 2: Các phương pháp nén dữ liệu trên mạng cảm biến
không dây
Truyền dữ liệu trên mô hình mạng sử dụng giao thức định tuyến RPL và
dữ liệu cảm biến từ môi trường về nhiệt độ, độ ẩm và cường độ ánh sáng. Để tiết
kiệm năng lượng em đề xuất ba phương pháp nén dữ liệu: Nén chênh lệch về giá
trị, nén dữ liệu dựa trên hàm tiên đoán tuyến tính và sử dụng phương pháp tập
hợp dữ liệu tại nút RPL. Cả ba phương pháp này có thể ứng dụng trong thực tiễn,
đặc biệt phương pháp tập hợp dữ liệu tại nút RPL rất phù hợp với quá trình định
tuyến.
CHƯƠNG 3: Thực hiện cài đặt kỹ thuật trên phần mềm mô phỏng
Omnet++ trên bộ dữ liệu đã có.
Chương này giới thiệu tổng quan về phần mềm mô phỏng và thực hiện cài
đặt các phương pháp nén dữ liệu. Trên cơ sở lý thuyết về các phương pháp nén
dữ liệu, quá trình cài đặt sử dụng ý tưởng của các phương pháp nêu trên và cài
đặt chạy thử nghiệm. Kết quả thử nghiệm đưa ra quá trình tiêu hao năng lượng
trong toàn mạng và đánh giá kết quả cụ thể của từng phương pháp.
Phương pháp nghiên cứu: Chủ yếu nghiên cứu tài liệu sách, bài báo và các
công trình luận văn. Ngoài ra em cài đặt các phương pháp bằng phần mềm mô
phỏng và thử nghiệm trên các dữ liệu đã được thu thập.
Mặc dù có nhiều cố gắng nhưng do kinh nghiệm có hạn, hơn nữa về mặt

thời gian hạn chế, nên bản luận văn không tránh khỏi thiếu sót cả về nội dung và
hình thức. Kính mong nhận được sự góp ý của thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp để
bản luận văn này hoàn thiện hơn.
Em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong Viện đào tạo sau đại học,
Viện công nghệ thông tin và truyền thông, bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ em
trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn. Em xin đặc biệt chân thành
cảm ơn cô giáo TS. Ngô Quỳnh Thu đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo để em hoàn
thành bản luận văn này đúng hạn.

7


Chương 1
TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
I. Giới thiệu về mạng cảm biến không dây
1. Giới thiệu chung
Một mạng cảm biến không dây (WSN) là một mạng không dây bao gồm
các nút cảm biến được phân bố theo không gian cảm biến để giám sát các điều
kiện vật chất hay môi trường. Thông thường nút cảm biến này là thiết bị vi điều
khiển và có bốn thành phần cơ bản: Một hệ thống cảm biến để thu thập dữ liệu từ
môi trường xung quanh, một bộ xử lý và lưu trữ dữ liệu, một hệ thống thu phát
tín hiệu không dây và nguồn cung cấp năng lượng. Nguồn năng lượng này
thường là pin có nguồn năng lượng hạn chế.

Hình 1: Sơ đồ một mạng cảm biến không dây – WSN

Các thành phần của mạng cảm biến không dây: Có 4 thành phần cơ bản tạo
nên một mạng cảm biến không dây:
- Các cảm biến được phân bố theo mô hình tập trung hay phân bố rải.
- Mạng lưới liên kết giữa các cảm biến.

- Điểm trung tâm tập hợp dữ liệu.
- Bộ phận xử lý dữ liệu ở trung tâm.
8


2. Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây
Trong những năm gần đây, các nghiên cứu về WSN đã đạt được bước phát
triển mạnh mẽ, các bước tiến về nghiên cứu hứa hẹn tác động lớn đến các ứng
dụng rộng rãi trong các lĩnh vực an ninh quốc gia, chăm sóc sức khỏe, môi
trường, năng lượng, an toàn thực phẩm và sản xuất...
Các ứng dụng của mạng WSN thực sự chỉ bị giới hạn bởi sự tưởng tượng
của con người. Sau đây là các ứng dụng phổ biến nhất của WSN:
2.1. Ứng dụng trong quân sự và an ninh quốc gia:
- Giám sát chiến trường.
- Bảo vệ an ninh cho các công trình trọng yếu.
- Ứng dụng trong quân đội.
- Thông tin, giám sát, điều khiển.
- Theo dõi mục tiêu.
- Phát hiện phóng xạ hạt nhân.
- Giám sát dưới nước, trên không.
- Hệ thống radars.
- Rà soát bom mìn..
2.2. Ứng dụng trong bảo vệ môi trường.
- Phát hiện hoạt động núi lửa.
- Giám sát cháy rừng.
- Giám sát dịch bệnh.
- Sử dụng hiệu quả tài nguyên thiên nhiên.
- Cảm biến dùng trong nông nghiệp.
- Phát hiện động đất.
2.3. Ứng dụng trong thương mại

- Điều khiển không lưu.
- Quản lý cầu đường.
- Quản lý kiến trúc và xây dựng.
9


- Điều khiển nhiệt độ.
- Quản lý tải trong tiêu thụ điện năng.
- Hệ thống tự động.
- Cảm biến các chất hóa học, sinh học, nguyên tử.
- Thu thập dữ liệu thời gian thực.
- Các hệ thống nhận dạng bằng sóng radio.
- Quản lý năng lượng.
- Điều khiển nhiệt độ.
- Quản lý sản xuất.
- Robot tự hành.
- Đo lượng khí gas, nước, điện...
- Hệ thống xử lý vật liệu (hóa học, gas, nhiệt...).
2.4.Ứng dụng trong y học.
- Cảm biến gắn trực tiếp lên cơ thể người.
- An toàn thực phẩm.
- Phân tích nồng độ các chất.
- Giám sát bệnh nhân, nhân viên y tế
3. Kiến trúc mạng cảm biến
Trong một mạng phẳng hoàn toàn không có cấu trúc lôgic, tất cả các nút
phải hợp tác để điều khiển mạng - xác định việc tạo thành và mất mối liên kết,
hợp và tách nút là giá của truyền thông vì những nút chỉ trực tiếp ý thức được
môi trường mạng trong vùng lân cận tức thời của chúng.
3.1. Kiến trúc nút mạng
Tương tự như kiến trúc của máy tính thông thường, các thành phần chính

của kiến trúc vật lý của các nút mạng cảm nhận không dây có thể được phân loại
vào 4 nhóm chính: Bộ vi xử lý (processing subsystem) với một vi điều khiển và
bộ nhớ để xử lý dữ liệu; bộ truyền thông radio (radio subsystem) để truyền dữ
liệu không dây; bộ cảm biến (sensing subsystem) chứa một hoặc nhiều cảm biến,
bộ khởi động; và cuối cùng là một bộ cung cấp năng lượng. Tùy theo các ứng
10


dụng cụ thể các nút cảm biến có thể được thiết kế thêm những thành phần như hệ
thống định vị để xác định vị trí, một bộ di chuyển để có thể thay đổi vị trí của nút
cảm biến,...

Power generator

Power generator

Power generator

MCU
Battery

DC-DC

Sensors

Radio

ADC
Memory

Power Supply
Subsystem

Sensing Subsystem

Processing
Subsystem

Communication
Subsystem

Hình 2: Cấu trúc một nút sensor

3.1.1. Bộ vi xử lý
Có 2 điều ràng buộc cho các thành phần xử lý là năng lượng và giá. Thực
chất tất cả các bộ xử lý WSN hiện thời đều đã được sử dụng phổ biến nhờ vào sự
phát triển về mặt công nghệ. Một khi sự xử lý trong một nút phải hướng vào một
sự đa dạng của các tác vụ khác nhau, nhiều nút có vài kiểu của bộ xử lý.
Các nút cảm biến có những thành phần lưu trữ tương đối nhỏ. Chúng
thường sử dụng bộ nhớ DRAM và Flash. Chúng ta mong rằng số lượng lưu trữ
tại mỗi nút mạng sẽ tiếp tục tăng lên.
3.1.2. Bộ truyền thông
Mô hình truyền thông thường được đề cập cho các thế hệ mạng cảm nhận
không dây hiện thời là việc truyền thông đa bước. Một vài kết quả hiện thời chỉ ra
rằng việc truyền thông đa bước có khả năng co giãn rất tốt và có thể làm giảm
đáng kể năng lượng tiêu thụ trong các mạng cảm nhận lớn. Điều cần đặc biệt chú
ý tại đây chính là việc lắng nghe thường yêu cầu năng lượng ngang bằng với việc
truyền thông. Việc truyền thông chính là thành phần tiêu thụ năng lượng chính
của mạng cảm nhận không dây,
3.1.3. Bộ cảm nhận, bộ khởi động

Có thể hình dung các bộ cảm nhận như là đôi mắt của mạng cảm nhận, và
bộ khởi động như là cơ bắp của nó. Công nghệ MEMS đã giúp việc xử lý ổn
định, và các kết quả thu được rất đáng được quan tâm.

11


3.1.4. Bộ cung cấp năng lượng
Bộ cung cấp năng lượng có thể là một số loại pin. Để các nút có thời gian
sống lâu thì bộ nguồn rất quan trọng, trong một số thiết bị đặc biệt pin này có khả
năng nạp điện từ môi trường.
Mô hình mạng được mô tả như Hình 3, đây là mô hình được chấp nhận
rộng rãi trong các ứng dụng trên thực tế và trong các tài liệu về hệ thống mạng
cảm biến. Mỗi nút cảm biến có gắn các đầu thu nhận số liệu và truyền về trạm
gốc, vừa đóng vai trò nút chuyển tiếp dữ liệu nhận được từ các nút con khác gửi
về trạm gốc và định tuyến lại đến trạm gốc (điểm thu dữ liệu - sink node).
Dữ liệu được định tuyến lại đến trạm gốc bởi một cấu trúc đa điểm. Trạm
gốc có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua mạng
internet hoặc vệ tinh.
Trạm gốc là một thực thể, tại đó thông tin được yêu cầu. Trạm gốc có thể
là thực thể bên trong mạng (là một nút cảm biến) hoặc ngoài mạng. Thực thể
ngoài mạng có thể là một thiết bị thực sự ví dụ như máy tính xách tay mà nó
tương tác với mạng vảm biến, hoặc cũng đơn thuần chỉ là một cầu nối để nối với
mạng khác lớn hơn như Internet nơi mà các yêu cầu thực sự đối với các thông tin
lấy từ một vài nút cảm biến bên trong mạng. Có 3 loại nút mạng cần chú ý trong
mạng cảm nhận không dây đa bước:

Internet

Remote

Controler

Trạm gốc
Nút chuyển tiếp
Nút cảm nhận

Hình 3: Mô hình bố trí nút cảm biến
- Trạm gốc
12


- Nút cảm biến
- Nút chuyển tiếp
3.2. Kiến trúc mạng
Nói rõ hơn về điều này, chúng ta cùng xem xét kỹ hơn về các dạng kiến
trúc mạng được đề cập cho mạng cảm nhận không dây:
- Mạng đơn: Nơi tất cả các nút liên kết trực tiếp với trạm gốc.
- Mạng liên kết bước: Các nút truyền thông gián tiếp tới trạm gốc qua các
nút trung gian, nhằm giảm năng lượng tải cho các nút.
- Mạng liên kết bó: Nhóm các nút vào trong các bó, tập hợp dữ liệu và
đánh dấu một nút giữ vai trò truyền thông với trạm gốc.
3.2.1. Mạng đơn
* Đặc điểm
Đây là kiến trúc mạng đơn giản nhất, mà trong đó tất cả các nút cảm nhận
trong mạng truyền thông trực tiếp tới trạm gốc. Với phạm vi truyền thông có hạn
của các nút mạng cảm ứng thường là hàng chục đến trăm mét thì kiến trúc mạng
đơn khó có thể mở rộng được, do đó ta có thể áp dụng kiến trúc mạng đơn đối với
các mạng làm việc trong phạm vi nhỏ cần khả năng truyền thông nhanh.

Hình 4: Kiến trúc mạng đơn

* Ưu điểm
- Đơn giản, dễ cấu hình và thực hiện.
- Tốc độ thực hiện nhanh.
13


* Nhược điểm
- Khó mở rộng mạng vì các nút sẽ không có khả năng kết nối trực tiếp tới
trạm gốc.
- Nhanh tiêu hao năng lượng tại các nút (đặc biệt là các nút xa trạm gốc).
3.2.2. Mạng liên kết bước
* Đặc điểm
Các nút mạng trong kiến trúc mạng liên kết bước vừa đóng vai trò nút cảm
nhận thu thập thông tin môi trường, vừa đóng vai nút mạng – có thể chuyển tiếp
dữ liệu thu được từ các nút mạng khác. Trong suốt giai đoạn thiết lập, mỗi nút
tìm cho mình một lộ trình tốt nhất đi qua các chặng tới trạm gốc qua một hoặc
nhiều trạm trung gian. Các nút sử dụng giao thức CSMA để tránh xung đột, các
gói dữ liệu sẽ được truyền sau mỗi khoảng tdelay(s). Khi một nút hết năng lượng,
quá trình thiết lập lộ trình tự động làm việc để duy trì kết nối tới trạm gốc.

Hình 5: Cấu trúc mạng liên kết bước

* Ưu điểm
- Tiết kiệm năng lượng truyền tải từ các nút tới trạm gốc
- Nhanh chóng, tiện dụng
- Dễ dàng mở rộng kích thước mạng
* Nhược điểm
14

- Dữ liệu truyền qua nhiều chặng dẫn đến sự mất mát gói tin trên đường
truyền tăng cao.
- Dữ liệu tới nút trung gian liên tục khiến năng lượng nút trung gian tiêu
hao nhanh chóng so với các nút thường.
3.2.3. Mạng liên kết bó - phân cụm
* Đặc điểm
Trong mạng tổ chức thành một tập hợp của những bó các nút, mỗi nút
thuộc về ít nhất một bó. Mỗi bó có nút đầu của bó hành động như một điều khiển
cục bộ cho những nút bên trong bó. Những cổng vào của các nút cung cấp truyền
thông giữa các bó. Quá trình xếp nhóm được áp dụng đệ quy để hình thành một
sự phân cấp của các bó.
Những nút trong bó thực hiện một giải thuật để chọn nút đầu bó và các nút
thành viên khác. Tất cả các nút thành viên trong bó truyền dữ liệu của chúng tới
nút đầu bó, sử dụng giao thức TDMA điều khiển truy cập. Trong khi đó nút đầu
bó nhận dữ liệu từ tất cả các thành viên trong bó, thực hiện xử lý các chức năng
trên dữ liệu (ví dụ tập hợp dữ liệu), và truyền dữ liệu tới trạm gốc.

Hình 6: Kiếm trúc mạng liên kết bó

* Ưu điểm
- Tiết kiệm năng lượng truyền tải từ các nút tới trạm gốc
- Dễ dàng mở rộng kích thước mạng
* Nhược điểm
Năng lượng tại các nút đầu bó tiêu hao nhanh chóng, có thể dẫn tới hoạt
15


động của bó tạm dừng.
3.2.4. Đánh giá

Ta có thể nhận xét về các dạng kiến trúc mạng qua bảng sau:
Đặc điểm

Mạng đơn

Mạng liên kết
bước

Mạng liên kết bó

Tốc độ tiêu thụ
năng lượng

Rất nhanh

Nhanh

Điều khiển truy
cập
Tác động khi 1
nút ngừng hoạt
động
Phạm vi làm
việc

Không đề cập

CSMA

Chậm hơn

(nhưng nút đầu
bó ngược lại)
TDMA

Một nút ngừng
hoạt động

Một nút ngừng
(sau khi xác lập
lại lộ trình)
Rộng hơn

Toàn bộ bó
ngừng hoạt động
(nếu là đầu bó)
Rộng nhất

Nhỏ

Bảng 1: Bảng so sánh một số đặc điểm của các dạng kiến trúc mạng
Qua 3 dạng kiến trúc trên thì dạng kiến trúc bó tiêu thụ năng lượng thấp
nhất, nhưng đi kèm với nó là những nguy cơ về sự tác động cao. Đối với các
mạng cảm nhận không dây thì yêu cầu về thời gian hoạt động của mạng đóng vai
trò hết sức quan trọng, nên việc xây dựng một kiến trúc mạng có khả năng làm
việc hiệu quả lẫn tiêu hao năng lượng thấp là rất cần thiết. Với những yêu cầu các
ứng dụng trong thực tế thì cấu trúc mạng liên kết bó được sử dụng rộng rãi hơn
cả. Do đó trong phạm vi đề tài này em nghiên cứu và thể phát triển dựa trên ý
tưởng của mạng liên kết bó.
Cấu trúc mạng cảm biến không dây có đặc điểm rất khác với mạng truyền
thông. Sau đây là một số đặc điểm nổi bật cần lưu ý đến trong quá trình nghiên

cứu mạng cảm biến:
- Môi trường hoạt động của mạng cảm biến thường là các khu vực đặc biệt
như khu vực địa hình hiểm trở, khu vực ô nhiễm, tiếp xúc trực tiếp với môi
trường v.v… do đó lỗi vật lý hay việc hết năng lượng có khả năng xuất hiện trên
các nút mạng.
- Số lượng cảm biến trong mạng là rất lớn có thể đến hàng trăm, hàng
nghìn. Thuật toán định tuyến cần có khả năng làm việc với số lượng lớn các nút
mạng phân bố trên diện tích rộng.
16


- Mạng cảm biến có khả năng tự cấu hình lại các liên kết khi xảy ra lỗi hay
khi vị trí các nút mạng thay đổi.
- Các nút cảm biến có tính chất vật lý đồng nhất và khác biệt với các nút
mạng thông thường: Kích thước nhỏ, khoảng cách truyền tín hiệu giới hạn, mức
năng lượng thấp, hoạt động độc lập, v.v...
II. Các chỉ tiêu của mạng cảm biến không dây
Sau đây là những chỉ tiêu để đánh giá một nút cũng như một mạng cảm
nhận không dây. Qua các tiêu chí đánh giá đó ta có thể lựa chọn loại vi điều
khiển thích hợp cũng như để xây dựng hệ thống hiệu quả nhất trong quá trình
triển khai.
1. Thời gian sống
Trong các ứng dụng, các nút mạng được đặt bên ngoài môi trường không
có người giám sát. Yếu tố chủ yếu giới hạn thời gian sống của nút mạng cảm
nhận là năng lượng cung cấp. Mỗi nút cần được thiết kế cơ chế quản lý năng
lượng nội bộ để tối đa thời gian sống của mạng. Đặc biệt trong mạng an ninh thì
thời gian sống của nút mạng phải là dài, 1 nút bị lỗi sẽ làm ảnh hưởng đến hệ
thống an ninh. Yếu tố quyết định thời gian sống là năng lượng tiêu thụ. Một nút
cảm nhận không dây khi phát hay nhận tín hiệu thì sẽ tiêu thụ năng lượng lớn.
Để đạt được yêu cầu duy trì năng lượng hoạt động trong nhiều năm thì các

nút mạng cần phải tiêu thụ năng lượng rất thấp. Việc tiêu thụ năng lượng thấp chỉ
đạt được bằng cách kết hợp các thành phần phần cứng năng lượng thấp và chu
trình hoạt động ngắn. Trong thời gian hoạt động truyền thông radio sẽ tiêu thụ
một phần năng lượng đáng kể trong tổng mức tiêu thụ năng lượng của nút mạng.
Các thuật toán và các giao thức cần được phát triển để giảm hoạt động truyền
nhận radio. Những ứng dụng mạng cảm nhận không dây yêu cầu những thành
phần tiêu thụ điện trung bình thấp hơn mạng không dây hiện thời đã có như
Bluetooth. Ví dụ: những thiết bị cho những kiểu cảm nhận y học và công nghiệp
nhất định... yêu cầu năng lượng từ những nguồn pin nhỏ cần phải kéo dài từ vài
tháng đến nhiều năm. Những ứng dụng liên quan đến kiểm tra và điều khiển thiết
bị công nghiệp yêu cầu tuổi thọ nguồn pin dài đặc biệt để duy trì lịch trình hiện
tại của thiết bị theo dõi có thể chưa xác định. Những ứng dụng khác như theo dõi
môi trường những vùng lớn yêu cầu rất nhiều thiết bị làm cho việc thay thế nguồn
pin thường xuyên là không thực tế.
Thời gian sống cũng là yếu tố quan trọng nhất của một mạng cảm biến
không dây.Vì vậy, khi thiết kế và triển khai một mạng cảm biến không dây người
17


ta thường quan tâm đến thời gian sống của nút mạng nói riêng và thời gian sống
của toàn mạng nói chung, tăng thời gian sống đồng nghĩa với việc làm sao giảm
mức thiêu thụ năng lượng thấp nhất.
2. Kích thước và chi phí
Kích thước vật lý và giá thành của mỗi nút riêng lẻ có ảnh hưởng tới sự dễ
dàng và chi phí khi triển khai. Tổng chi phí vật tư và chi phí triển khai ban đầu là
hai yếu tố chủ chốt dẫn đến việc chấp nhận công nghệ WSN. Với một ngân sách
cố định việc giảm giá thành trên mỗi nút mạng sẽ làm cho có khả năng mua thêm
nhiều nút, triển khai một mạng thu thập với mật độ cao hơn, thu thập được nhiều
dữ liệu hơn. Với mục tiêu này thiết kế giao thức và truyền thông mạng phải tránh
nhu cầu những thành phần giá cao, rời rạc mà việc sử dụng mạng nên có thể ở

mọi nơi bằng việc tối giản yêu cầu giao thức phức tạp và cần nhiều bộ nhớ.
Ngoài ra một trong những yếu tố làm giá thành của nhiều mạng lớn là quản
trị và bảo trì hệ thống nên mạng cảm nhận không dây cần phải thiết kế đặc biệt và
có khả năng tự cấu hình và tự bảo trì.
Một mạng “đặc biệt” trong ngữ cảnh này là một mạng không có một phân
phối vật lý hoặc địa thế lôgíc định trước của các nút. “Tự cấu hình” là khả năng
của nút mạng phát hiện ra sự có mặt nút khác và tổ chức vào trong một mạng có
cấu trúc, có chức năng mạng mà không có sự can thiệp con người. “Tự bảo trì”
được định nghĩa là khả năng mạng phát hiện ra và phục hồi những lỗi xuất hiện
trong những nút mạng hoặc liên kết truyền thông mà không có sự can thiệp con
người. Để dễ dàng sản xuất theo những khả năng mong muốn của những hệ
thống và những thiết bị như vậy đáp ứng việc tối giản giá của các thành phần
mạng không dây thì sự phát triển một tiêu chuẩn hóa nghi thức truyền thống là rất
cần thiết.
3. Truyền thông
Một chỉ tiêu đánh giá cho bất kì WSN nào là tốc độ truyền dữ liệu, năng
lượng tiêu thụ và khoảng cách. Trong khi độ bao phủ của mạng không dây bị giới
hạn bởi khoảng cách truyền của các nút riêng biệt, khoảng cách truyền có một
ảnh hưởng quan trọng tới mật độ tối thiểu có thể chấp nhận được. Nếu các nút
được đặt rất xa nó không thể tạo được kết nối với mạng liên kết hoặc một nút dự
trữ để có được độ tin cậy cao. Nếu khoảng cánh truyền radio thoả mã mật độ nút
cao, các nút thêm vào sẽ làm tăng mật độ hệ thống tới một mức độ nào đó cho
phép. Tốc độ truyền cũng có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của mạng. Tốc độ
18


truyền cao hơn làm cho khả năng lấy mẫu hiệu quả hơn và năng lượng tiêu thụ
của mạng ít hơn. Khi tốc độ tăng, việc truyền mất ít thời gian hơn do đó đòi hỏi ít
năng lượng hơn. Tuy nhiên khi tăng tốc độ cũng thường làm tăng năng lượng tiêu
thụ radio.

Tuỳ những mục đích thiết kế tốc độ dữ liệu cực đại có thể là 512b/s
(64bytes/s) mặc dù tốc độ dữ liệu thường dưới tốc độ này ở khoảng 1b/s hoặc
thấp hơn trong một vài ứng dụng.
4. Khả năng tính toán
Hai việc tính toán cho nút mạng tập trung chủ yếu vào xử lý dữ liệu nội
mạng và quản lý các giao thức truyền thông không dây mức thấp. Có những yêu
cầu giới hạn về mặt thời gian thực đối với truyền thông và cảm biến. Khi dữ liệu
tới trên mạng CPU cần điều khiển đồng thời radio và ghi lại/giải mã dữ liệu tới.
Tốc độ truyền cao hơn đòi hỏi tính toán nhanh hơn. Điều tương tự cũng đúng với
xử lý dữ liệu cảm biến. Các cảm biến tương tự có thể phát ra hàng ngàn mẫu
trong một giây. Các thao tác xử lý cảm biến nói chung bao gồm : lọc số, trung
bình hóa, nhận biết ngưỡng, phân tích phổ…Để tăng khả năng xử lý cục bộ các
nút láng giềng có thể kết hợp dữ liệu với nhau trước khi truyền đi trên mạng. Các
kết quả từ nhiều nút mạng có thể được tổng hợp cùng nhau. Xử lý nội mạng này
đòi hỏi thêm tài nguyên tính toán. Ngoài ra, ứng dụng xử lý dữ liệu có thể tiêu
thụ một lượng tính toán phụ thuộc vào các phép toán được thực hiện.
5. Đồng bộ thời gian
Để hỗ trợ sự tương quan thời gian đọc cảm biến và chu trình hoạt động
ngắn của ứng dụng thu thập dữ liệu, các nút cần duy trì đồng bộ thời gian chính
xác với các thành viên khác trong mạng. Các nút cần ngủ và thức dậy cùng nhau
để chúng có thể định kỳ truyền thông cho nhau. Các lỗi trong cơ chế tính toán
thời gian sẽ tạo lên sự không hiệu quả dẫn đến làm tăng chu trình làm việc. Trong
các hệ phân tán, việc trôi clock theo thời gian là do cơ chế tính toán thời gian
không chính xác, phụ thuộc vào nhiệt độ, điện áp, độ ẩm, thời gian dựa theo dao
động sẽ không như nhau. Cần có cơ chế đồng bộ hóa cao để bù lại những sự
không chính xác như vậy.
III. Các hướng nghiên cứu giảm thiểu tiêu hao năng lượng trong mạng
cảm biến không dây
1. Tổng quan về năng lượng
Tiêu thụ năng lượng là mối quan tâm hàng đầu của những nhà sản xuất

19


cảm biến. Các cảm biến thông thường sử dụng những nguồn năng lượng như pin,
còn các cảm biến hiện đại sử dụng những bộ chuyển đổi năng lượng tối tân để
chuyển đổi các dạng năng lượng sạch và dồi dào như gió, mặt trời, nước biển…
Tuy nhiên cho cả 2 dạng cảm biến trên đều phụ thuộc vào các thiết bị phần cứng .
Rất nhiều các giải pháp cảm biến không dây hiện tại chỉ tập trung vào vấn đề cải
tiến chức năng và kích cỡ của cảm biến và thực tế là cũng đã có rất nhiều thành
công trong lĩnh vực này. Tuy nhiên vấn đề về nguồn năng lượng sử dụng chưa
thu hút sự quan tâm nhiều lắm từ các nhà sản xuất. Hầu hết các cảm biến đều sử
dụng nguồn năng lượng được cung cấp từ các loại pin cần phải được thay hoặc
sạc thường xuyên. Yếu điểm về thời gian sử dụng ngắn của pin đã gây ra khó
khăn cho việc bảo dưỡng, đặc biệt là đối với các hệ thống lớn. Sử dụng hệ thống
cảm biến không dây siêu tiết kiệm năng lượng có thể cho kéo dài thời gian vận
hành lên tới cả thập kỷ mà chỉ cần dùng một pin nhỏ bằng pin của một chiếc đồng
hồ đeo tay. Một cải tiến khác cho mạng lưới cảm biến là sử dụng những nguồn
năng lượng thân thiện với môi trường – chuyển đổi những nguồn năng lượng
được gọi là thừa thãi trong môi trường thành điện năng – vì thế có thể tiết kiệm
được cả thời gian và tiền bạc trong việc thay thế, nạp điện và khởi động hệ thống
pin. Giảm thiểu nhu cầu sử dụng pin cũng đồng thời làm giảm những tác động
đến môi trường của hệ thống.
2. Mô hình năng lượng
Để xác định sự tiêu hao năng lượng trong việc truyền nhận dữ liệu ta có thể
sử dụng mô hình đơn giản sau:
+ k là số lượng bit của 1 gói tin.
+ ETx-elec = ERx-elec = kEelec là lượng năng lượng yêu cầu trên thiết bị dùng
cho việc truyền nhận dữ liệu.
+ Eamp là năng lượng khuếch đại truyền dẫn.
+ Chi phí truyền tải thông điệp độ dài k-bit giữa 2 nút bất kì qua khoảng

cách d được tính bởi biểu thức:
ETx (k , d ) = ETc −elec (k ) + E amp (k , d )

Trong đó Eamp biến thiên theo khoảng cách d .
Để nhận được 1 bản tin độ dài k bit, 1 nút cần dùng:
E Rx (k ) = E Rc −elec (k ) = kE elec

Lượng năng lượng còn lại của mỗi nút sau một phiên trao đổi dữ liệu được
tính toán như sau:
20


E Re s = E Initial − ( ETx + E Rx )

Đây mới là năng lượng trong việc truyền nhận dữ liệu trong một nút cảm
biến, còn có sự tiêu hao năng lượng trong việc tính toán nội tại của chính nút cảm
biến.
3. Những nguyên nhân gây lãng phí năng lượng





Hao phí điện năng trong quá trình xung đột.
Điều khiển việc gửi và nhận gói tin.
Thời gian nghỉ kéo dài.
Phân bổ năng lượng không hợp lý.

4. Các hướng tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến không dây
Bằng những phép đo trên thực nghiệm người ta đã chỉ ra rằng thông

thường truyền dữ liệu sẽ tiêu hao lượng lớn hơn so với xử lý và tính toán dữ liệu.
Chi phí năng lượng cho việc truyền một bit thông tin có thể tương đương với
hàng nghìn các hoạt động khác trong một nút cảm biến.
Việc tiêu thụ năng lượng của các hệ thống cảm biến phụ thuộc vào loại
cảm biến cụ thể. Quá trình tiêu hao năng lượng của một nút cảm biến thường
được xem xét trong các trạng thái sau:
- Truyền nhận dữ liệu: Quá trình truyền nhận dữ liệu là những tín hiệu
chính nút cảm biến thu nhận thông tin cảm biến từ môi trường, thu nhận tín hiệu
từ các nút cảm biến khác trong mạng. Tiêu hao năng lượng cho truyền nhận dữ
liệu là rất lớn so với các trạng thái khác của nút cảm biến.
- Trạng thái hoạt động: là trạng thái sẵn sàng cho việc nhận dữ liệu.
- Năng lượng tiêu hao trong việc tính toán, xử lý dữ liệu nội tại.
- Trạng thái nghỉ: Đây là trạng thái tiêu tốn ít năng lượng nhất, lúc này nút
cảm biến dừng các hoạt động tính toán không cần thiết, hệ thống radio được
chuyển sang chế độ tắt, không truyền hay nhận dữ liệu.
Dựa vào các kiến trúc mạng đã trình bày ở trên và năng lượng tiêu hao,
một số hướng tiếp cận đã được nghiên cứu, mô phỏng nhằm giảm sự tiêu hao
năng lượng trong mạng cảm biến không dây. Với mục tiêu tiết kiệm năng lượng
được thể hiện qua ba mô hình tiếp cận: Duty Cycling, Data-driven approaches và
Mobility.

21


4.1. Duty Cycling
Các chức năng của một nút cảm biến được đặt ở chế độ bật tắt theo lịch
trình nào đó để giảm thiểu sự tiêu hao năng lượng, do ở chế độ tắt là chế độ tiết
kiệm năng lượng nên cần có sự phối hợp giữa các chức năng sao cho chế độ nghỉ
là cao nhất.
Như đã trình bày, chế độ gửi nhận dữ liệu cảm biến là tiêu tốn khá lớn

năng lượng nên người ta thiết lập sao cho đặt chế độ tắt radio khi không cần nhận
thông tin. Với ý tưởng trong toàn mạng, các nút mạng được phân công đóng vai
chủ đạo trong việc duy trì việc kết nối, số nút còn lại sẽ được đặt ở chế độ nghỉ.
Như vậy sự luân phiên duy trì giữa các nút mạng sẽ làm giảm sự tiêu hao năng
lượng của các nút mạng đi đáng kể.
Trong nhiều trường hợp, khi triển khai hệ thống mạng cảm biến bằng
phương pháp đặt ngẫu nhiên các nút mạng vào khu vực cảm biến, như vậy cần
một số lượng nút cảm biến là lớn hơn mức cần thiết, do đó cần xây dựng phương
án khởi tạo các nút mạng chính để duy trì mạng thay vì toàn bộ nút mạng đặt ở
chế độ hoạt động. Các nút mạng sẽ được thay phiên nhau ở chế độ hoạt động và
không hoạt động.
4.2. Phương pháp hướng dữ liệu - Data-driven
Như đã trình bày ở trên, truyền nhận dữ liệu tiêu hao năng lượng là rất lớn
trong mạng cảm biến không dây nên trong phần nghiên cứu của đề tài này em tập
trung nghiên cứu theo hướng dữ liệu – Data-driven. Để hiểu rõ về kỹ thuật Datadriven trước tiên ta có thể hình dung theo sơ đồ đơn giản sau:

22


Phương pháp
hướng dữ liệu

Tiết kiệm năng lượng
trong thu nhận dữ liệu

Giảm dữ liệu

Xử lý nội
mạng

Nén dữ liệu

Dự đoán dữ
liệu

Hình 7: Phân loại phương pháp hướng dữ liệu

Mục đích của phương pháp hướng dữ liệu là giảm dữ liệu trước khi truyền
về nút gốc, đồng nghĩa với việc giảm sự truyền nhận trên nút mạng. Tuy nhiên
các phương pháp thực hiện và nguyên tắc hoạt động là rất khác nhau.
4.2.1. Nén dữ liệu
Trong khoa học máy tính và lý thuyết thông tin, nén dữ liệu là quá trình mã
hóa thông tin dùng ít bit hơn so với thông tin chưa được mã hóa bằng cách dùng
một hoặc kết hợp của các phương pháp nào đó. Dựa theo nguyên tắc này giúp
tránh các hiện tượng kênh truyền bị quá tải và việc truyền tin trở nên kinh tế hơn,
nhiều trường hợp trong thực tế nếu không sử dụng nén dữ liệu thì không thể thực
hiện được bài toán. Nén dữ liệu giúp tiết kiệm các tài nguyên như dung lượng bộ
nhớ, băng thông, thời gian. Ngược lại, dữ liệu đã được nén cần phải được giải
nén để đọc (thực thi, nghe, xem,...), quá trình này cũng đòi hỏi các tài nguyên
nhất định.
Phương pháp nén dữ liệu được phân ra thành hai loại: Nén không tổn hao
và nén tổn hao.
Trong phương pháp nén không tổn hao, dữ liệu được nén sau khi giải nén
sẽ giống nhau y như ban đầu. Trong đó thông dụng nhất là thuật toán Lembel-Ziv
(LZ). DEFLATE là một biến thể của thuật toán LZ, được tối ưu hóa nhằm tăng
tốc độ giải nén và tỷ lệ nén, bù lại thuật toán này có tốc độ của quá trình nén
chậm. DEFLATE được dùng trong PKZIP, GZIP và PNG. LZW (Lembel-ZivWelch) được dùng trong định dạng phai GIF.
23

Các thuật toán nén không tổn hao được dùng để nén các file như file thực
thi, file văn bản, word, excel,v.v... Các loại dữ liệu này không thể sai lệch dù chỉ
một bit, nhất là các file chương trình.
Trong các phương pháp nén tổn hao thì dữ liệu được nén khi giải nén ra có
thể sẽ không giống với dữ liệu gốc, tuy nhiên phải đảm bảo dữ liệu sau khi nén
vẫn còn hứu ích. Đối với hình ảnh, âm thanh, video, do giới hạn của mắt và tai
người nên một lượng lớn dung lượng có thể được tiết kiệm bằng cách loại bỏ các
phần dư thừa, trong khi chất lượng hầu như không thay đổi.
Đối lập với nén dữ liệu không tổn hao các phương pháp nén có tổn hao
thường gây giảm chất lượng rất nhanh khi thực hiện nén và giải nén đệ quy nhiều
lần. Các mẫu hình ảnh, âm thanh sẽ được chia thành các phần nhỏ hơn và được
biến đổi qua miền khác. Các hệ số biến đổi này sẽ được lượng tử hóa sau đó được
mã hóa bằng mã Huffman hoặc mã hóa số học.
Các mẫu hình ảnh, âm thanh trước được sử dụng để dự đoán các mẫu tiếp
theo. Sai số giữa dữ liệu dự đoán và dữ liệu thực sẽ được lượng tử hóa rồi mã
hóa. Ưu điểm của nén tổn hao so với nén không tổn hao đó là nén tổn hao trong
nhiều trường hợp cho tỷ lệ nén cao hơn rất nhiều so với bất cứ thuật toán nên
không tổn hao được biết, trong khi vẫn đảm bảo được chất lượng. Nén tổn hao
thường được sử dụng để nén ảnh, âm thanh, video.
Đối với dữ liệu trên mạng cảm biến việc nén dữ liệu có thể được thực hiện
tại nút gửi dữ liệu, khi dữ liệu cảm biến được thu thập thì được thực hiện các giải
thuật nén để làm giảm kích thước dữ liệu trước khi truyền đi sang nút kế tiếp.
Phương pháp này sẽ liên quan đến việc mã hóa dữ liệu tại nút gửi và giải mã tại
nút gốc.
4.2.2. Dự đoán dữ liệu (Data prediction)
Kỹ thuật dự đoán dữ liệu hướng đến xây dựng một mô hình hóa về các dữ
liệu cảm biến, mô hình thể hiện sự thay đổi của dữ liệu, thay vì phải thu nhận hay
tao tác trên dữ liệu cảm biến từ thực tế. Có hai trường hợp xây dựng mô hình
trong mạng, một là đặt tại nút gốc, hai là đặt tại nút cảm biến (có nhiều nút cảm
biến cài đặt mô hình). Mô hình đặt tại nút gốc được sử dụng để trả lời các truy

vấn mà không cần bất kỳ thông tin liên lạc nào, do đó làm giảm việc tiêu thụ
năng lượng. Rõ ràng hoạt động này thực hiện được chỉ khi mô hình diễn tả chính
xác hiện tượng này tại thời điểm nhất định. Mô hình đặt tại các nút cảm biến, các
24


nút cảm biến chỉ cần lấy mẫu bình thường và so sánh các dữ liệu thực tế với dữ
liệu dự đoán trên mô hình, nếu giá trị sai khác này nằm trong khoảng ngưỡng
chấp nhận được thì giá trị trên mô hình còn sử dụng được, ngược lại nút cảm biến
gửi dữ liệu thực tế về nút gốc đồng thời cập nhật lại mô hình. Các kĩ thuật dự
đoán dữ liệu được chia thành ba lớp chính:
4.2.2.1 Phương pháp tiếp cận ngẫu nhiên (Stochastic approaches)
Phương pháp tiếp cận ngẫu nhiên khai thác một tính chất của quá trình
ngẫu nhiên để có thể dự đoán các biến cảm ứng bằng một mô hình xác suất.
Giải pháp của Ken[8] cũng minh họa cho cách tiếp cận này. Ý tưởng giải
pháp là có một số mô hình, mỗi một mô hình được cài đặt ở trạm gốc hoặc ở các
nút cảm biến. Trong trường hợp này, các mô hình cơ bản là mô hình xác suất, tức
là sau một giai đoạn xây dựng một hàm mật độ xác suất (pdf) của tập hợp các
thuộc tính thu thập được. Qua một qúa trình thực hiện, khi mô hình này không
được coi là hợp lệ nữa, các nút cảm biến sẽ cập nhật mô hình và truyền một số
mẫu về trạm gốc để phiên bản tương ứng có thể được cập nhật. Ken linh hoạt sử
dụng mô hình phù hợp với một một hiện tượng cụ thể và khai thác tối đa mối
tương quan không gian hoặc mối tương quan thời gian. Ví dụ, mối tương quan
thời gian có thể được mô hình hóa như các quá trình Markov. Mối tương quan
không gian có phần xử lí khó hơn. Trên thực tế, các nút phải phối hợp sao cho chi
phí giao tiếp nhỏ. Để đạt mục đích này, các tác giả đề xuất tổ chức phân chia-phe,
và dùng một giải pháp tối ưu để tăng hiệu quả sử dụng năng lượng. Các tác giả
của [1] khai thác một cách tiếp cận tương tự, nhưng sử dụng một bộ lọc Kalman
như mô hình cốt lõi cho dự đoán.
4.2.2.2 Dự đoán theo thời gian (Time series forecasting)

Một phương pháp điển hình đại diện cho chuỗi thời gian được cho bởi mô
hình Moving Average (MA), Auto-Regressive (AR) hay Auto- Regressive
Moving Average (ARMA). Những mô hình này là khá đơn giản, nhưng chúng có
thể được sử dụng trong nhiều trường hợp thực tế với độ chính xác cao.
Giả thiết tại các nút cảm biến thực hiện thu thập dữ liệu theo định kỳ với
thời gian ∆t.
Mô hình được xây dựng sao cho việc tính toán được với thời gian t+∆t, khi
mô hình tính toán sai khác ngoài giá trị cho phép thì cập nhật lại mô hình.
25