Nghiên Cứu Một Giao Thức Định Tuyến Nhằm Đảm Bảo Sự Cân Bằng Năng Lượng Giữa Các Nút Trong Mạng Cảm Biến Không Dây (LV thạc sĩ)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.78 MB, 63 trang )
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------
BÙI HOÀNG MAI
NGHIÊN CỨU MỘT GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN
NHẰM ĐẢM BẢO SỰ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
GIỮA CÁC NÚT TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)
TP.HCM - 2017
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------
BÙI HOÀNG MAI
NGHIÊN CỨU MỘT GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN
NHẰM ĐẢM BẢO SỰ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
GIỮA CÁC NÚT TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Chuyên ngành: Hệ thống thông tin
Mã số: 60.48.01.04
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRẦN CÔNG HÙNG
TP.HCM - 2017
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. HCM, Ngày 22 tháng 05 năm 2017
Học viên thực hiện luận văn
Bùi Hoàng Mai
ii
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin gởi lời cảm ơn đến PGS. TS. Trần Công Hùng, phó trưởng
phòng Phòng Đào tạo và Khoa học công nghệ, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn
thông cơ sở Tp. Hồ Chí Minh. Thầy đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt
quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp thạc sĩ.
Chân thành cảm ơn quý Thầy Cô trong khoa Công nghệ thông tin – Học viện
Công nghệ Bưu chính Viễn Thông cơ sở Tp. Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy,
trang bị cho tôi những kiến thức quý báu trong thời gian tôi học tại Học Viện.
Sau cùng, xin cảm ơn chị Phan Thị Thể, gia đình, các anh chị, bạn bè và đồng
nghiệp đã ủng hộ, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện
luận văn.
Xin trân trọng cảm ơn!
Tp. HCM, Ngày 22 tháng 05 năm 2017
Học viên thực hiện luận văn
Bùi Hoàng Mai
iii
MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................................ ii
MỤC LỤC ............................................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................ v
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ......................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................................................. vii
DANH MỤC CÔNG THỨC .............................................................................................. viii
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY .......................... 3
1.1 Giới thiệu ..................................................................................................................... 3
1.2 Khái niệm, ứng dụng mạng WSN ................................................................................ 5
1.3 Kiến trúc mạng cảm biến ............................................................................................. 7
1.3.1 Cấu tạo của nút cảm biến ...................................................................................... 7
1.3.2 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây .................................................... 8
1.3.3 Mục tiêu thiết kế mạng cảm biến và tiêu chí đánh giá ......................................... 9
1.4 Khó khăn trong việc phát triển mạng không dây ....................................................... 12
1.4.1 Giới hạn năng lượng ........................................................................................... 12
1.4.2 Giới hạn về giải thông......................................................................................... 12
1.4.3 Giới hạn về phần cứng ........................................................................................ 12
1.4.4 Ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài ......................................................................... 12
1.5 Định tuyến trong WSN .............................................................................................. 12
1.6 Tổng kết chương ........................................................................................................ 13
CHƯƠNG 2 - KỸ THUẬT PHÂN CỤM TRONG WSN ................................................... 14
2.1 Khái niệm ................................................................................................................... 14
2.2 Ưu điểm của kỹ thuật phân cụm ................................................................................ 15
2.3 Các vấn đề được xem xét khi xây dựng thuật toán dựa trên phân cụm ..................... 15
2.3.1 Quá trình lựa chọn cluster head (CH) ................................................................. 16
2.3.2 Quá trình hình thành phân cụm........................................................................... 16
2.3.3 Các giao tiếp trong cụm ...................................................................................... 16
2.4 Đồng nhất và không đồng nhất trong WSN ............................................................... 17
iv
2.4.1 Các loại tài nguyên không đồng nhất trong WSN .............................................. 18
2.4.2 Ảnh hưởng của tính không đồng nhất trên mạng cảm biến không dây .............. 18
2.4.3 Các cách đánh giá hiệu suất của WSN không đồng nhất .................................... 19
2.5 Một số giao thức định tuyến dựa trên kỹ thuật phân cụm ......................................... 19
2.5.1 LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy) ..................................... 19
2.5.2 SEP (Stable Election Protocol) ........................................................................... 21
2.5.3 DEEC (Distributed Energy-Efficient Clustering) ............................................... 23
2.5.4 DDEEC (Developed Distributed Energy-Efficient Clustering) .......................... 25
2.5.5 TDEEC (Threshold Distributed Energy-Efficient Clustering) ........................... 26
2.5.6 EDEEC (Enhanced Distributed Energy Efficient Clustering) ............................ 27
2.5.7 EDDEEC (Enhanced Developed Distributed Energy Efficient Clustering) ..... 28
2.5.8 BEENISH (Balanced Energy Efficient Network Integrated Super
Heterogeneous). ........................................................................................................... 29
2.6 Nhận xét ..................................................................................................................... 31
2.7 Tổng kết chương ........................................................................................................ 33
CHƯƠNG 3 - GIAO THỨC ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN ........................................................... 34
3.1 Quá trình phân cụm.................................................................................................... 34
3.2 Hoạt động của giao thức đề xuất................................................................................ 38
3.3 Tổng kết chương ........................................................................................................ 39
CHƯƠNG 4 - MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT GIAO THỨC CẢI TIẾN .... 41
4.1 Mô hình và tham số mô phỏng .................................................................................. 41
4.1.1 Mô hình năng lượng sóng vô tuyến .................................................................... 41
4.1.2 Mô hình mạng ..................................................................................................... 42
4.1.3 Tham số của giao thức đề xuất ........................................................................... 44
4.1.4 Tiêu chí đánh giá hiệu suất ................................................................................. 44
4.2 Kịch bản mô phỏng .................................................................................................... 45
4.3 Kết quả mô phỏng và đánh giá .................................................................................. 45
4.3.1 Độ ổn định và tuổi thọ mạng .............................................................................. 45
4.3.2 Thông lượng (Số gói tin được gửi đến BS) ........................................................ 47
4.4 Tổng kết chương ........................................................................................................ 49
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................. 50
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................... 51
v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
Tiếng Anh
Tiếng Việt
BS
Base Station
Trạm gốc
BEENISH
Balanced Energy Efficient
Mạng không đồng nhất cân
Network Integrated Super
bằng hiệu quả năng lượng tích
Heterogeneous
hợp nút Super
CH
Cluster Head
Cụm chủ
DEEC
Distributed Energy-Efficient
Phân cụm hiệu quả năng lượng
Clustering
phân tán
Developed Distributed Energy-
Phân cụm hiệu quả năng lượng
Efficient Clustering
phân tán cải tiến
Enhanced Distributed Energy
Phân cụm hiệu quả năng lượng
Efficient Clustering
phân tán tăng cường
Enhanced Developed Distributed
Phân cụm hiệu quả năng lượng
Energy Efficient Clustering
phân tán tăng cường cải tiến
Low-Energy Adaptive Clustering
Phân cụm phân cấp thích ứng
Hierarchy
năng lượng thấp
SEP
Stable Election Protocol
Giao thức bầu chọn ổn định
TDEEC
Threshold Distributed Energy-
Phân cụm hiệu quả năng lượng
Efficient Clustering
phân tán ngưỡng
Wireless Sensor Network
Mạng cảm biến không dây
DDEEC
EDEEC
EDDEEC
LEACH
WSN
vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Bảng so sánh một số giao thức phân cụm cho mạng cảm biến không dây
không đồng nhất ........................................................................................................ 30
Bảng 4.1. Bảng các tham số mô phỏng ..................................................................... 44
Bảng 4.2. Kịch bản mô phỏng ................................................................................... 45
Bảng 4.3. Bảng so sánh tuổi thọ mạng của các giao thức tham gia mô phỏng ......... 46
Bảng 4.4. Bảng so sánh thông lượng và năng lượng còn lại trung bình của các giao
thức tham gia mô phỏng ............................................................................................ 48
vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Một mạng cảm biến không dây ................................................................... 4
Hình 1.2. Ứng dụng của WSN trong theo dõi mục tiêu .............................................. 5
Hình 1.3. Ứng dụng theo dõi môi trường .................................................................... 6
Hình 1.4. Ứng dụng trong y tế .................................................................................... 7
Hình 1.5. Cấu tạo nút cảm biến ................................................................................... 8
Hình 1.6. Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến ...................................................... 8
Hình 2.1. Một mạng cảm biến dựa trên kỹ thuật phân cụm ...................................... 14
Hình 2.2. Mạng đơn bước ......................................................................................... 17
Hình 2.3. Mạng đa bước............................................................................................ 17
Hình 2.4. Mô hình mạng không đồng nhất trong WSN ............................................ 18
Hình 2.5. Mô hình phân cụm LEACH ...................................................................... 20
Hình 3.1. Khoảng cách trung bình từ 1 nút đến BS .................................................. 36
Hình 3.2. Khoảng cách những nút gần và nút xa BS ................................................ 36
Hình 3.3. Sơ đồ khối cho các giao thức EDEEC, EDDEEC, BEENISH, Giao thức
đề xuất trong quá trình lựa chọn CH. ........................................................................ 39
Hình 4.1. Mô hình năng lượng sóng vô tuyến .......................................................... 41
Hình 4.2. Mô hình mạng cảm biến không đồng nhất 4 mức độ ................................ 43
Hình 4.3. Đồ thị so sánh thời gian sống của các giao thức tham gia mô phỏng ....... 46
Hình 4.4. Đồ thị so sánh thời gian các nút chết của các giao thức tham gia mô
phỏng ......................................................................................................................... 47
Hình 4.5. Đồ thị so sánh thông lượng của các giao thức tham gia mô phỏng .......... 48
Hình 4.6. Đô thị so sánh năng lượng còn lại trung bình của các giao thức tham gia
mô phỏng ................................................................................................................... 49
viii
DANH MỤC CÔNG THỨC
(2.1) Công thức tính ngưỡng để lựa chọn cụm chủ ................................................. 20
(2.2) Công thức tính tổng năng lượng trong mạng WSN không đồng nhất ............ 21
(2.3) Công thức tính xác suất lựa chọn CH trong giao thứ SEP............................... 22
(2.4) Công thức tính ngưỡng cho các nút Normal trong giao thức SEP.................. 22
(2.5) Công thức tính ngưỡng cho các nút Advance trong giao thứ SEP ................. 22
(2.6) Công thức tính xác suất lựa chọn CH trong giao thức DEEC ..................... 23
(2.7) Công thức tính năng lượng trung bình trong vòng hiện tại ............................ 23
(2.8) Công thức tính tổng năng lượng cho mạng WSN không đồng nhất đa mức
độ ............................................................................................................................. 23
(2.9) Công thức tính tổng số vòng của mạng........................................................... 24
(2.10) Công thức tính tổng năng lượng tiêu hao trong vòng hiện tại ...................... 24
(2.11) Công thức tính khoảng cách trung bình đến CH và BS ................................ 24
(2.13) Công thức tính ngưỡng chọn CH trong giao thức TDEEC ........................... 27
(2.14) Công thức tính ngưỡng chọn CH trong giao thức EDEEC ........................... 28
(2.15) Công thức tính xác suất chọn CH trong giao thức EDDEEC ....................... 29
(2.16) Công thức tính xác suất cải tiến trong giao thức EDDEEC .......................... 29
(2.17) Công thức tính xác suất chọn CH trong giao thức BEENISH ...................... 30
(3.1) Công thức tính ngưỡng cho lựa chọn CH của giao thức đề xuất .................... 35
(3.2) Công thức tính khoảng cách của nút hiện tại đến BS ..................................... 35
(3.3) Công thức tính khoảng cách trung bình từ 1 nút bất kỳ đến BS ..................... 36
(3.4) Công thức tính xác suất cải tiến khi dhiện tại <= dtrung bình với điều kiện Ei(r) >
Tabsolute trong giao thức đề xuất ................................................................................ 37
(3.5) Công thức tính xác suất cải tiến khi dhiện tại <= dtrung bình với điều kiện Ei(r) <=
Tabsolute trong giao thức đề xuất ................................................................................ 37
(3.6) Công thức tính xác suất khi dhiện tại > dtrung bình với điều kiện Ei(r) > Tabsolute
trong giao thức đề xuất ............................................................................................ 37
(3.7) Công thức tính xác suất khi dhiện tại > dtrung bình với điều kiện Ei(r) <= Tabsolute
trong giao thức đề xuất ............................................................................................ 38
(4.1) Công thức tính năng lượng tiêu hao trong quá trình tuyền ............................. 42
(4.2) Công thức tính giá trị ngưỡng khoảng cách ngưỡng ...................................... 42
(4.3) Công thức tính năng lượng tiêu hao trong quá trình nhận .............................. 42
1
MỞ ĐẦU
Mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như: quốc
phòng, an ninh, dân sự, y tế, giao thông, môi trường, nông nghiệp. Ở từng lĩnh vực
cụ thể, mạng cảm biến không dây được dùng cho việc: rà soát bom mìn, khí độc hại,
cảnh báo xâm nhập của quân địch; chống đột nhập; giám sát chu trình và sản phẩm
trong sản xuất công nghiệp; cảnh báo cháy nổ, nhà thông minh; kiểm tra giám sát sức
khỏe; kiểm soát lưu lượng giao thông; giám sát mức độ ô nhiễm môi trường, dự báo
thời tiết, khí hậu; đo nhiệt độ, độ ẩm, điều khiển tưới tiêu tự động theo độ ẩm không
khí, theo dõi sự di chuyển của động vật hoang dã [1],[2].
Tuy nhiên WSN cũng có nhiều mặt hạn chế, một trong những hạn chế lớn nhất
đó là nguồn năng lượng bị giới hạn (kích thước thiết bị nhỏ - nguồn pin nhỏ) và rất
khó khăn để nạp lại năng lượng cho thiết bị. Trong khi nguồn năng lượng là không
thể thay đổi, chúng ta phải làm gì để kéo dài thời gian hoạt động của toàn mạng?
Với đặc tính bên trong của mạng cảm biến bao gồm sự ràng buộc về dải thông
và năng lượng đã tạo thêm thách thức cho các giao thức định tuyến là phải nhằm vào
việc thỏa mãn yêu cầu về lưu lượng trong khi vẫn kéo dài được thời gian sống của
mạng.
Việc gom nhóm (Clustering) các nút cảm biến là một kỹ thuật hiệu quả để cải
thiện khả năng mở rộng và thời gian sống của một mạng cảm biến không dây (WSN).
Tuy nhiên, trong một cụm dựa trên WSN, các nút chủ nhóm (Cluster heads) tiêu thụ
nhiều năng lượng hơn do một số phụ tải cho các hoạt động khác nhau như thu thập
dữ liệu, tổng hợp số liệu, thông tin liên lạc và các dữ liệu tổng hợp đến trạm gốc. Vì
vậy, vấn đề cân bằng năng lượng của các Cluster heads là một vấn đề rất quan trọng
cho các hoạt động dài hạn của WSNs. Cân bằng năng lượng có thể được sử dụng để
kéo dài tuổi thọ của một mạng lưới cảm biến bằng cách giảm tiêu thụ năng lượng.
Cân bằng năng lượng dựa trên kỹ thuật phân cụm cũng có thể làm tăng khả năng mở
rộng mạng lưới. Mạng cảm biến không dây với các nút có mức năng lượng khác nhau
có thể kéo dài tuổi thọ mạng của mạng và củng cố độ tin cậy của nó.
2
Vì lý do đó, luận văn này đề xuất cải tiến một giao thức định tuyến nhằm đảm
bảo sự cân bằng năng lượng giữa các nút mạng trong mạng cảm biến không dây.
Nội dung của luận văn gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Chương 2: Kỹ thuật phân cụm trong mạng cảm biến không dây
Chương 3: Giao thức đề xuất cải tiến
Chương 4: Mô phỏng và đánh giá giao thức cải tiến
3
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY
1.1 Giới thiệu
Mạng cảm biến không dây Wireless Sensor Network – WSN [1] ra đời là một
thành tựu to lớn của khoa học. WSN là sự kết hợp giữa cảm biến, tính toán và truyền
thông vào trong các thiết bị nhỏ gọn nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con
người, giúp cho con người không mất quá nhiều sức lực, nhân công, nâng cao được
hiệu quả công việc.
Trong những năm gần đây, rất nhiều mạng cảm biến không dây đã và đang
được phát triển và triển khai cho nhiều các ứng dụng khác nhau như: theo dõi sự thay
đổi của môi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự, phát hiện và do thám việc
tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hoá học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc,
thiết bị, theo dấu và giám sát các bác sỹ, bệnh nhân cũng như quản lý thuốc trong các
bệnh viên, theo dõi và điều khiển giao thông, các phương tiện xe cộ...
Hơn nữa với sự tiến bộ công nghệ gần đây và hội tụ của hệ thống các công
nghệ như kỹ thuật vi điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệ mạch
tích hợp, vi mạch phần cảm biến, xử lý và tính toán tín hiệu...đã tạo ra những con cảm
biến có kích thước nhỏ, đa chức năng, giá thành thấp, công suất tiêu thụ thấp, làm
tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây.
Một mạng cảm biến không dây là một mạng bao gồm nhiều nút cảm biến nhỏ
có giá thành thấp, và tiêu thụ năng lượng ít, giao tiếp thông qua các kết nối không
dây, có nhiệm vụ cảm biến, đo đạc, tính toán nhằm mục đích thu thập, tập trung dữ
liệu để đưa ra các quyết định toàn cục về môi trường tự nhiên.
4
Hình 1.1: Một mạng cảm biến không dây
Khi nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, một trong những đặc điểm quan
trọng và then chốt đó là thời gian sống của các con cảm biến hay chính là sự giới hạn
về năng lượng của chúng. Các nút cảm biến này yêu cầu tiêu thụ công suất thấp. Các
nút cảm biến hoạt động có giới hạn và nói chung là không thể thay thế được nguồn
cung cấp. Do đó, trong khi mạng truyền thông tập trung vào đạt được các dịch vụ
chất lượng cao, thì các giao thức mạng cảm biến phải tập trung đầu tiên vào bảo toàn
hiệu năng.
Mạng cảm biến có một số đặc điểm sau:
+ Có khả năng tự tổ chức.
+ Yêu cầu ít hoăc không có sự can thiệp của con người.
+ Truyền thông vô tuyến và truyền đa bước.
+ Triển khai số lượng lớn trên phạm vi rộng.
+ Năng lượng, bộ nhớ, khả năng xử lý có hạn.
+ Cấu hình thường xuyên thay đổi do môi trương hoặc nút mạng.
+ Quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến đa bước (multi-hop).
Các giới hạn về mặt năng lượng, công suất phát, bộ nhớ và công suất tính toán
Chính những đặc tính này đã đưa ra những chiến lược mới và những yêu cầu thay đổi
trong thiết kế mạng cảm biến.
5
1.2 Khái niệm, ứng dụng mạng WSN
Định nghĩa 1: Mạng cảm biến không dây là một mạng không dây mà các nút
mạng là các vi điều khiển sau khi đã được cài đặt phần mềm nhúng kết hợp với các
bộ phát sóng vô tuyến cùng với các cảm biến và nó có khả năng thu nhận, xử lý dữ
liệu từ các nút mạng và môi trường xung quanh nút mạng [2].
Định nghĩa 2: Mạng cảm biến không dây (WSN) là mạng sử dụng phương
thức truyền nhận bằng sóng Radio mà các nút mạng được tích hợp bộ vi điều khiển
và bộ cảm biến [2].
Tóm lại khái niệm mạng cảm biến không dây dựa trên công thức đơn giản sau:
Cảm nhận + CPU + Radio = WSN
Từ công thức đơn giản trên rất nhiều ứng dụng đã xuất hiện ví dụ như:
Quân sự: Dựa trên ưu điểm có thể triển khai nhanh chóng (rải từ máy bay),
với khả năng tự cấu hình lại khi có nút bị hỏng đưa mạng cảm biến không dây trở
thành một ứng dụng hữu ích trên chiến trường. Chủ yếu là: Theo dõi lực lượng, trang
bị, hướng di chuyển, phát hiện giám sát mục tiêu, các dấu hiệu vũ khí nguyên tử, sinh
học.
Hình 1.2: Ứng dụng của WSN trong theo dõi mục tiêu
6
Môi trường: đây là ứng dụng phổ biến nhất của mạng cảm biến không dây bao
gồm: theo dõi sự xuất hiện và di chuyển của động vật, theo dõi nhiệt độ, mức nước,
áp suất khí quyển…v.v Trong đó ứng dụng dễ nhận thấy nhất là cảnh báo cháy rừng,
cảnh báo lũ.
Hình 1.3: ứng dụng theo dõi môi trường
Chăm sóc sức khỏe: một vài ứng dụng về sức khỏe đối với mạng cảm biến là
giám sát bệnh nhân, các triệu chứng, quản lý thuốc trong bệnh viện, giám sát sự
chuyển động và xử lý bên trong của côn trùng hoặc các động vật nhỏ khác, theo dõi
và kiểm tra bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh viện, mỗi bệnh nhân được gắn một nút
cảm biến nhỏ và nhẹ, mỗi một nút cảm biến này có nhiệm vụ riêng, ví dụ có nút cảm
biến xác định nhịp tim trong khi con cảm biến khác phát hiện áp suất máu, bác sĩ
cũng có thể mang nút cảm biến để cho các bác sĩ khác xác định được vị trí của họ
trong bệnh viện.
7
Hình 1.4: Ứng dụng trong y tế
Mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nhưng hầu hết
các lĩnh vực được ứng dụng đều thuộc ba dạng: Thu thập dữ liệu môi trường, giám
sát an ninh, và theo dõi đối tượng.
1.3 Kiến trúc mạng cảm biến
1.3.1 Cấu tạo của nút cảm biến
Mục này sẽ giới thiệu sơ lược về các thành phần cơ bản của nút cảm biến
Cấu tạo của nút cảm biến như sau:
Mỗi nút cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản như ở hình (1.5):
đơn vị cảm biến (a sensing unit), đơn vị xử lý (a processing unit), đơn vị truyền dẫn
(a transceiver unit) và bộ nguồn (a power unit). Ngoài ra có thể có thêm những thành
phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là hệ thống định vị (location finding
system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ phận di động (mobilizer).[3]
8
Hình 1.5: Cấu tạo nút cảm biến [3]
1.3.2 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây
Trong mạng cảm biến không dây, dữ liệu sau khi được thu thập bởi các nút sẽ
được định tuyến gửi đến trạm gốc. Trạm gốc sẽ tiến hành xử lý dữ liệu và gửi dữ liệu
đến người dùng đầu cuối thông qua internet hay vệ tinh. Kiến trúc giao thức được sử
dụng bởi nút gốc và các nút cảm biến được thể hiện thông qua hình 1.6.
Hình 1.6: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến [3]
Mặt phẳng quản lý năng lượng: Quản lý cách các nút cảm biến sử dụng
nguồn năng lượng của nó. Ví dụ: Nút cảm biến có thể tắt bộ thu tín hiệu sau khi nhận
9
được một bản tin. Khi mức công suất của con cảm biến thấp, nó sẽ broadcast sang
nút cảm biến bên cạnh thông báo rằng mức năng lượng của nó thấp và nó không thể
tham gia vào quá trình định tuyến.
Mặt phẳng quản lý di động: Có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự chuyển
động của các nút. Các nút giữ việc theo dõi xem ai là nút lận cận của chúng.
Mặt phẳng quản lý nhiệm vụ: Cân bằng và sắp xếp các nhiệm vụ cảm biến
giữa các nút trong một vùng được quan tâm. Không phải tất cả các nút cảm biến đều
thực hiện nhiệm vụ cảm nhận ở cùng một thời điểm.
Lớp vật lý: có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang, phát hiện tín
hiệu, điều chế và mă hóa tín hiệu. Băng tần ISM 915 MHZ được sử dụng rộng răi
trong mạng cảm biến. Vấn đề hiệu quả năng lượng cũng cần phải được xem xét ở lớp
vật lý.
Lớp liên kết dữ liệu: lớp này có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu, phát hiện
các khung (frame) dữ liệu, cách truy nhập đường truyền và điều khiển lỗi. Vì môi
trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển truy nhập
môi trường (MAC) phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả năng tối thiểu hoá
việc va chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận.
Lớp mạng: Lớp mạng của mạng cảm biến được thiết kế tuân theo nguyên tắc
sau :
Hiệu quả năng lượng luôn luôn được coi là vấn đề quan trọng
Mạng cảm biến chủ yếu là tập trung dữ liệu
Tích hợp dữ liệu chỉ được sử dụng khi nó không cản trở sự cộng tác có hiệu
quả của các nút cảm biến.
Lớp truyền tải: Chỉ cần thiết khi hệ thống có kế hoạch được truy cập thông
qua mạng Internet hoặc các mạng bên ngoài khác.
Lớp ứng dụng: Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng
khác nhau có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng.
1.3.3 Mục tiêu thiết kế mạng cảm biến và tiêu chí đánh giá
1.3.3.1 Chất lượng dịch vụ
Mạng cảm biến không dây về cơ bản khác với những mạng khác về tiêu chí
đánh giá chất lượng dịch vụ của mạng, thông thường với các mạng khác thì tiêu chí
10
đánh giá hoạt động của mạng thường là độ trễ, tỉ lệ mất gói, … Nhưng với mạng cảm
biến không dây thì để đánh giá chất lượng của dịch vụ còn phải quan tâm tới đặc điểm
ứng dụng mà nó được triển khai, một vài đặc điểm cần quan tâm khi đánh giá là: xác
suất báo cáo theo tỉ lệ thông tin được quan tâm, phát hiện sự kiện chậm, báo cáo sai,…
1.3.3.2 Hiệu quả năng lượng
Ở những phần trên ta đã nhắc lại rất nhiều lần vấn đề năng lượng trong hoạt
động của mạng cảm biến không dây, điều đó cho thấy năng lượng là vấn đề sống còn
của mạng này năng lượng tiêu thụ tại mỗi nút còn ảnh hưởng tới thời gian sống, và
cấu hình ổn định của mạng, bởi vậy năng lượng là mục tiêu quan trọng để thiết kế
trong mạng cảm biến. Trong một vài giao thức định tuyến thì năng lượng được xem
như là một thông số quan trọng việc lựa chọn giao thức định tuyến phù hợp, trong
một vài giao thức năng lượng còn được sử dụng như một thông số quyết định tới định
tuyến. Thông thường việc định nghĩa hiệu quả năng lượng trong mạng cảm biến có
rất nhiều cách khác nhau: năng lượng trên từng bít nhận được, năng lượng trên mỗi
báo cáo, thời gian sống của mạng hoặc số gói tin mà nút có thể gửi đi.
1.3.3.3 Khả năng bảo trì và thay thế
Khả năng bảo trì và thay thế nút trong mạng cảm biến tỉ lệ nghịch với kích
thước của mạng đó. Thông thường thì số nút mạng có thể lên tới hàng nghìn nút, tuy
nhiên do yêu cầu của ứng dụng đôi khi việc thay thế là hết sức cần thiết, lúc đó cần
phải dựa vào thông tin nhận được và bảng định tuyến để xác định nút mạng bị hỏng,
thường mạng loại này các nút được triển khai thủ công và địa chỉ hóa.
1.3.3.4 Tiềm lực của hệ thống
Là thông số liên quan giữa chất lượng dịch vụ và khả năng tự cấu hình lại khi
topo mạng thay đổi đã đề cập ở những phần trước, mạng cảm biến không dây tỏ ra
khá hiệu quả, mạng vẫn hoạt động tốt nếu chỉ có vài nút mạng hết năng lượng, môi
trường thay đổi, hoặc đường liên kết vô tuyến đã bị chiếm thường có thể vượt qua,
nó có thể tìm tuyến khác, việc này dựa trên giao thức định tuyến được xây dựng trong
mạng.
11
1.3.3.5 Xử lý trong mạng
Khi tổ chức mạng theo mô hình phát tán, một nút trong mạng chuyển tiếp nút
hoặc thi hành các chương trình. Đây là một dạng xử lý đặc biệt trong mạng, một vài
kỹ thuật cho xử lý trong mạng, trong đó một kỹ thuật thường được sử dụng là kỹ thuật
kết hợp, kỹ thuật này khai thác đặc điểm của mạng không dây là nút cơ sở nhận dữ
liệu theo chu kỳ từ các nút cảm biến, nhưng chỉ quan tâm tới những nút có thông số
thay đổi, trong trường hợp như vậy không cần thiết phải chuyển tất cả dữ liệu từ nút
về trạm gốc. Một kỹ thuật khác mà ta đã từng đề cập trong một phần trước đây là kỹ
thuật tiền xử lý bằng biến đổi fourier nhanh, nhằm giảm kích thước dữ liệu trong
mạng lớn.
1.3.3.6 Kỹ thuật khai thác thông tin vị trí
Một kỹ thuật hữu ích khác là sử dụng thông tin vị trí trong giao thức truyền
thông khi biểu diễn thông tin, khi đó vị trí của sự kiện xảy ra là thông tin quan trọng
trong rất nhiều ứng dụng.
1.3.3.7 Kỹ thuật lấy mẫu tích cực
Kỹ thuật lấy mẫu tích cực trong mạng cảm biến dựa trên một đặc điểm của
mạng này là tốc độ dữ liệu trung bình trong một khoảng thời gian lớn là rất nhỏ do
có thể có rất ít sự kiện cần phải báo cáo, khi có một sự kiện xảy ra nó có thể được
phát hiện bởi nhiều cảm biến quanh đó, gây ra tình trạng lưu lượng mạng tại đó tăng
đột biến, bởi vậy nguyên lý của kỹ thuật này là điều khiển luồng lưu lượng bằng việc
chuyển đổi giữa chế độ không hoạt động và chế độ tích cực.
1.3.3.8 Kỹ thuật khai thác tính hỗn độn
Liên quan tới kỹ thuật lấy mẫu tích cực là kỹ thuật khai thác tính hỗn độn trong
mạng cảm biến không dây, kỹ thuật này dựa trên thực tế là khi khởi đầu thì trạng thái
năng lượng của các nút gần như đồng đều, tuy nhiên sẽ có những nút hoạt động nhiều
hơn các nút khác ( ví dụ như các nút tổng hợp dữ liệu trước khi gửi tới trạm gốc),
những nút đặc biệt này (thường có bộ nhớ dữ liệu hoặc bộ xử lý mạnh hơn các nút
thông thường) có thể bổ xung năng lượng cho nó từ môi trường hoặc một giải pháp
12
khác là phân công nhiệm vụ lần lượt cho từng nút để cân bằng năng lượng tiêu thụ
giữa các nút mạng trong WSN.
1.4 Khó khăn trong việc phát triển mạng không dây
1.4.1 Giới hạn năng lượng
Thông thường, các thiết bị trong mạng cảm biến không dây thường sử dụng
các nguồn năng lượng có sẵn (pin). Khi số lượng nút mạng là lớn, yêu cầu tính toán
là nhiều, khoảng cách truyền lớn thì sự tiêu thụ năng lượng là rất lớn. Chính vì vậy
cần tìm các giải pháp để có thể tối ưu việc xử lý & truyền dữ liệu với một năng lượng
ban đầu của các nút nhằm kéo dài thời gian sống cho mạng.
1.4.2 Giới hạn về giải thông
Hiện nay tốc độ truyền thông vô tuyến bị giới hạn trong tốc độ khoảng 10-100
Kbits/s. Sự giới hạn về dải thông này ảnh hưởng trực tiếp đến việc truyền thông tin
giữa các nút
1.4.3 Giới hạn về phần cứng
Yêu cầu của mạng cảm biến không dây là kích thước của các nút phải nhỏ vì
có một số ứng dụng đòi hỏi phải triển khai một số lượng lớn các nút trên một phạm
vi hẹp. Điều này đã hạn chế về năng lực tính toán cũng như không gian lưu trữ trên
mỗi nút.
1.4.4 Ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài
Do trong mạng cảm biến không dây sử dụng đường truyền vô tuyến nên bị ảnh
hưởng bởi những can nhiễu bên ngoài, có thể bị mất mát hoặc sai lệch thông tin khi
truyền từ nút về trạm gốc.
1.5 Định tuyến trong WSN
Trong một WSN, khoảng cách giữa các nút cảm biến và BS có thể khác
biệt lớn. Điều này ngụ ý rằng dữ liệu từ một nút cảm biến có thể cần phải đi
qua nhiều bước nhảy để đạt được BS vì thế các giao thức định tuyến được đưa
ra. Một giao thức định tuyến xác định các phương pháp để chuyển tiếp dữ liệu
13
từ các nút cảm biến đến BS dựa trên các yêu cầu khác nhau. Dưới đây chúng
tôi trình bày một số thách thức định tuyến:
Tiêu hao năng lượng: Các nút có một lượng năng lượng hạn chế và
gần như không thể thay thế pin trong một thời gian ngắn, đặc biệt ở các khu vực
không thể truy cập dễ dàng. Do đó, hiệu quả năng lượng là rất quan trọng đối với
WSNs và nghiên cứu đã được thực hiện để đạt được năng lượng hiệu quả định tuyến
[1],[4].
Khả năng mở rộng: Số lượng các nút cảm biến được sử dụng trong
mạng có thể rất lớn. Kết quả là, thuật toán định tuyến sẽ có thể chứa được số lượng
lớn các nút mà không làm suy giảm hiệu suất mạng [1].
Truyền dẫn: Vì các nút được kết nối không dây, có những vấn đề liên
quan đến không dây như giảm dần và tỷ lệ lỗi cao. Những vấn đề này có thể ảnh
hưởng đến hiệu suất của mạng [1].
1.6 Tổng kết chương
Ở chương này, luận văn đưa ra các lý thuyết tổng quan về mạng cảm biến
không dây (WSN) bao gồm các khái niệm, ứng dụng, mô tả kiến trúc của một WSN,
qua đó chúng ta nhận thấy được là WSN đang ngày càng phát triển và ứng dụng rộng
rãi trong nhiều lĩnh vực đời sống. Tuy nhiên gắn liền với nó là vẫn còn tồn tại một số
hạn chế về nguồn năng lượng, khả năng mở rộng, độ tin cậy cũng như độ trễ. Và để
khắc phục được hạn chế về năng lượng nhằm kéo dài thời gian sống cho một WSN
thì vấn đề về cân bằng năng lượng trong WSN rất được quan tâm trong những năm
trở lại đây. Chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về vấn đề này trong chương tiếp theo.
14
CHƯƠNG 2 - KỸ THUẬT PHÂN CỤM TRONG WSN
2.1 Khái niệm
Để chuyển tiếp thông tin từ nhiều nút cảm biến đến một BS một cách hiệu quả,
thì kỹ thuật định tuyến phân cụm thường được sử dụng. Một cụm dựa trên định tuyến
nhằm mục đích để tạo thành một hệ thống phân cấp mạng định tuyến dựa trên một số
cụm như hình 2.1. Phân nhóm các nút cảm biến vào cụm có thể đơn giản hóa các
phương pháp sử dụng trong việc xác định thông tin liên lạc của chúng, từ đó có thể
hổ trợ thích nghi với các vấn đề về khả năng mở rộng mạng lưới. Mỗi cụm có một
nút đặc biệt gọi là Cụm chủ (CH) và một số nút thành viên trong cụm. Một CH có
trách nhiệm thu thập các dữ liệu của các nút thành viên trong cluster tương ứng. Điều
này sẽ cho phép các dữ liệu của mỗi nút trong cụm chỉ liên lạc với các nút chủ cụm
trong cụm tương ứng của nó chứ không phải thông qua toàn bộ mạng [1],[5]. Mỗi CH
có kiến thức về các nút thành viên trong cluster tương ứng của nó và khoảng cách với
các CH (CHS) khác mà nó có thể sử dụng để cung cấp dữ liệu đến các BS. Mặt khác,
mỗi nút thành viên chỉ cần biết về CH riêng của mình (nhưng không phải về các nút
khác trong toàn bộ mạng) [6].
Trạm gốc
Cụm chủ
Thành viên cụm
Hình 2.1: Một mạng cảm biến dựa trên kỹ thuật phân cụm
15
2.2 Ưu điểm của kỹ thuật phân cụm
Một CH có thể thực hiện tập hợp dữ liệu để loại bỏ thông tin dư thừa bằng
cách sử dụng các chức năng như tối đa, tối thiểu và trung bình. Điều này cho phép
phân biệt giữa dữ liệu cảm biến thô và dữ liệu hữu ích. Nó góp phần làm giảm nhu
cầu băng thông, kết quả là mạng sử dụng băng thông tốt hơn [1],[5]. Bằng cách nhận
biết rằng năng lượng tiêu thụ trong tính toán thường ít hơn so với sử dụng để liên lạc,
tập hợp dữ liệu cũng có thể làm giảm tổng mức tiêu thụ năng lượng trong mạng và
mở rộng thời gian sống của mạng lưới.
Vì chỉ có các CH thực hiện định tuyến, sẽ có ít trao đổi thông tin định tuyến
giữa các nút trong mạng. Các tính toán để xác định đường dẫn định tuyến để cung
cấp dữ liệu đến BS được giảm. Ngoài ra, các kích thước của bảng định tuyến cũng
như các chi phí định tuyến được giảm. Điều này có thể hạn chế việc tiêu thụ năng
lượng của mạng và do đó kéo dài tuổi thọ mạng [1],[5],[6].
2.3 Các vấn đề được xem xét khi xây dựng thuật toán dựa trên phân cụm
Thuật toán dựa trên phân cụm có thể được thực hiện theo cách phân tán hoặc
theo cách tập trung. Một thuật toán phân tán không đòi hỏi một điểm trung tâm để
được thực thi. Nhiệm vụ của việc cấu hình mạng được chia sẻ giữa tất cả các nút
trong mạng. Các nút chỉ sử dụng thông tin cục bộ để đưa ra các quyết định về mạng
lưới. Điều này có thể là thuận lợi vì không cần phải giữ thông tin toàn mạng. Tuy
nhiên, các nút đòi hỏi tài nguyên tính toán để đưa ra các quyết định về cấu hình mạng.
Đối với một thuật toán tập trung, BS thường được sử dụng làm điểm trung tâm để xác
định mạng. Điều này là do BS không có vấn đề về năng lượng và khả năng tính toán
hạn chế, và do đó, nó thường được sử dụng để thực hiện các hoạt động đòi hỏi một
lượng lớn năng lượng. Thật vậy, sử dụng một thuật toán tập trung có thể cung cấp
một sự kiểm soát tốt hơn của việc định tuyến mạng. Cho dù thuật toán phân cụm theo
phân tán hoặc tập trung, có ba khía cạnh quan trọng cần được xem xét: lựa chọn CH,
hình thành cụm và truyền thông trong cụm.
