Sử dụng phương pháp tiếp cận mờ và các thuật toán tìm kiếm để cân bằng mức năng lượng tiêu thụ và tối đa tuổi thọ cho các mạng cảm biến không dây (Luận văn thạc sĩ)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.22 MB, 86 trang )
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------
NGUYỄN QUỐC THỊNH
SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN MỜ VÀ CÁC
THUẬT TOÁN TÌM KIẾM ĐỂ CÂN BẰNG MỨC
NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ VÀ TỐI ĐA TUỔI THỌ
CHO CÁC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2018
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------
NGUYỄN QUỐC THỊNH
SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN MỜ VÀ CÁC
THUẬT TOÁN TÌM KIẾM ĐỂ CÂN BẰNG MỨC
NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ VÀ TỐI ĐA TUỔI THỌ
CHO CÁC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
CHUYÊN NGÀNH: HỆ THỐNG THÔNG TIN
MÃ SỐ:
8.48.01.04
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. TRẦN CÔNG HÙNG
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2018
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. Hồ Chí Minh, Ngày 07 Tháng 05 Năm 2018
Học viên thực hiện Luận văn
Nguyễn Quốc Thịnh
ii
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đến PGS.TS. Trần Công Hùng,
Thầy đã tận tâm chỉ dẫn, truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm quý báu cho tôi
suốt quá trình thực hiện luận văn này.
Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn đến các quí Thầy Cô giáo tại Học Viện Công
Nghệ Bưu Chính Viễn Thông cơ sở Thành phố Hồ Chí Minh đã trang bị cho tôi những
kiến thức nền tảng quan trọng trong suốt quá trình tôi theo học.
Và cuối cùng, tôi xin được gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè, những người
đã động viên tôi trong suốt thời gian vừa qua.
Mặc dù đã cố gắng song luận văn cũng không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi
rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của Thầy Cô để tôi có thể hoàn thiện hơn
đề tài của mình.
Xin trân trọng cảm ơn.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 07 tháng 05 năm 2018
Học viên thực hiện luận văn
Nguyễn Quốc Thịnh
iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN............................................................................................................... ii
MỤC LỤC ....................................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT ................................................ v
DANH SÁCH BẢNG..................................................................................................vii
DANH SÁCH HÌNH VẼ ...........................................................................................viii
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1 - CƠ SỞ LÝ LUẬN ................................................................................ 3
1.1.
Tổng quan về mạng cảm biế n không dây [1] ............................................. 3
1.1.1.
Cấu trúc mạng cảm biến không dây: .................................................... 4
1.1.1.1.
Cấu trúc của một nút cảm biến không dây: ...................................... 5
1.1.1.2.
Cấu trúc giao tiếp của một mạng cảm biến không dây .................... 8
1.1.2.
Đặc điểm mạng cảm biến không dây [4]:.............................................. 9
1.1.3.
Ứng dụng mạng cảm biến không dây: ................................................ 12
1.2.
Vấn đề tiêu thụ năng lượng và tuổi thọ mạng [5] ................................... 12
1.3. Các giao thức và thuật toán định tuyến trong mạng cảm biến không
dây [4], [6] .............................................................................................................. 14
1.3.1.
Flooding: ............................................................................................... 16
1.3.2.
Giao thức định tuyến thông tin qua sự thỏa thuận (SPIN): .............. 18
1.3.3.
Phân nhóm phân cấp tương thích, năng lượng thấp (LEACH): ...... 19
1.3.4.
Tập trung hiệu quả công suất trong hệ thống thông tin cảm biến: .. 23
Chương 2 - CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN........................................................ 25
2.1.
Các công trình liên quan Quốc Tế ............................................................ 26
2.2.
Các công trình liên quan trong nước........................................................ 31
Chương 3 - PHƯƠNG THỨC ĐỊNH TUYẾN HIỆU QUẢ ĐỂ CÂN BẰNG MỨC
NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ VÀ TỐI ĐA TUỔI THỌ CHO CÁC MẠNG CẢM
BIẾN KHÔNG DÂY.................................................................................................. 37
3.1.
Tiế p cận mờ và thuật toán A-sao: ............................................................. 37
3.1.1.
Tổng quan về phương pháp tiếp cận mờ: ........................................... 37
iv
3.1.2.
3.2.
Tổng quan thuật toán A-Sao: .............................................................. 40
Phương thức định tuyến đề xuất ............................................................... 43
Chương 4 – MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ............................................................... 52
4.1.
Cài đặt mô phỏng: ...................................................................................... 52
4.1.1.
Mô hình năng lượng: ........................................................................... 52
4.1.2.
Chi tiết giả thuyết và thiết lập ban đầu cho quá trình mô phỏng: ..... 53
4.2.
Kết quả mô phỏng: ..................................................................................... 55
4.2.1.
Lần 1 truyền 5000 gói tin (5000 vòng): ............................................... 56
4.2.2.
Lần 2 truyền 10000 gói tin (10000 vòng): ........................................... 60
4.2.3.
Lần 3 truyền 15000 gói tin (15000 vòng): ........................................... 64
4.2.4.
Lần 4 truyền 20000 gói tin (20000 vòng): ........................................... 68
KẾT LUẬN ................................................................................................................ 72
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................... 73
v
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt
Tiếng Anh
Tiếng Việt
ADC
Analog to Digital Converter
Bộ chuyển đổi tương tự/số
ADV
Advertisement
Thông điệp quảng bá
Adaptive Threshold
Sensitive Energy Efficient
Sensor Network
Mạng cảm biến công suất nhạy cảm
ngưỡng thích ứng
APTEEN
Balanced Energy Efficient
BEENISH Network Integrated Super
Heterogeneous
BS
Cân bằng năng lượng hiệu quả tích
hợp siêu không đồng nhất
Base Station, Sink
Trạm gốc
Cluster Algorithm and Astar with Fuzzy Approach
Thuật toán phân cụm kết hợp A-sao
với logic mờ
Code Division Multiple
Access
Đa truy cập phân chia theo mã
CH
Cluster Head
Cụm chủ
FIS
Fuzzy Inference System
Hệ thống suy luận mờ
GAF
Geographic Adaptive
Fidelity
Định tuyến thích ứng chính xác theo
địa lí
Geographic and Energy
Aware Routing
Định tuyến theo nhận biết năng
lượng, địa lí
Global Positioning System
Hệ thống định vị toàn cầu
Low-Energy Adaptive
Clustering Hierarchy
Cấu trúc phân bậc tương thích, năng
lượng thấp
CAF
CDMA
GEAR
GPS
LEACH
vi
MAC
Media Access Control
Điều khiển truy cập môi trường
MANETs
Mobile ad hoc Network
Mạng ad hoc di động
Micro Controller Unit
Bộ vi xử lý
Minimum Hop
Bước nhảy tối thiểu
Power-Efficient Gathering
in Sensor Information
System
Tập trung hiệu suất trong hệ thống
thông tin cảm biến
Remaining Energy
Năng lượng còn lại
REQ
Request
Thông điệp yêu cầu
SEP
Stable Election Protocol
Giao thức bầu chọn ổn định
SPIN
Sensor Protocols for
Information via Negotiation
Giao thức thông tin cảm biến thông
qua sự thỏa thuận
TDMA
Time Division Multiple
Access
Đa truy cập phân chia theo thời gian
TEEN
Threshold Sensitive Energy
Efficient Sensor Network
Mạng cảm biến công suất ngưỡng
nhạy cảm
Traffic Load
Tải lưu lượng
Wireless Sensor Network
Mạng cảm biến không dây
MCU
MH
PEGASIS
RE
TL
WSN
vii
DANH SÁCH BẢNG
Bảng 3. 1. Các quy tắc Nếu-Thì ................................................................................. 48
viii
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1: Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây .......................................... 5
Hình 1.2: Các thành phần của một nút cảm biến [5] ................................................... 6
Hình 1.3: Sơ đồ khối chức năng của một nút cảm biến ............................................... 7
Hình 1.4: Chồng giao thức mạng cảm biến không dây. .............................................. 8
Hình 1.5: Truyền dữ liệu đa chặng [4] ....................................................................... 15
Hình 1.6: Flooding trong mạng truyền thông dữ liệu [4], [5] ................................... 17
Hình 1.7: Hoạt động cơ bản của giao thức SPIN [4], [5] .......................................... 19
Hình 1.8: Phân chia cụm [4]....................................................................................... 20
Hình 1.9: Trạng thái pha LEACH [4] ........................................................................ 21
Hình 1.10: Cấu trúc mạng hình chuỗi [4], [5]............................................................ 24
Hình 3.1: Logic nhị phân Aristote và Logic mờ ........................................................ 38
Hình 3.2: Cấu trúc tiêu biểu của phương pháp tiếp cận mờ [12] .............................. 38
Hình 3.3: Logic mờ với 2 biến đầu vào (RE, TL) và biến đầu ra NC [22] ............... 46
Hình 3.4: Đồ thị liên kết cho biến đầu vào Năng lượng còn lại (RE) ....................... 46
Hình 3.5: Đồ thị liên kết cho biến đầu vào Tải lưu lượng (TL) ................................ 47
Hình 3.6: Đồ thị liên kết cho biến đầu ra Chi phí nút (NC) ...................................... 47
Hình 3.7: Mô hình truyền nhận vô tuyến [26], [27] .................................................. 49
Hình 3.8: Lưu đồ thuật toán đề xuất .......................................................................... 51
Hình 4.1: Đường đi vòng cuối của phương thức A-sao kết hợp tiếp cận mờ (lần 1) 56
Hình 4.2: Đường đi vòng cuối của phương thức đề xuất (lần 1)............................... 56
Hình 4.3: Đường đi vòng cuối của phương thức tiếp cận mờ (lần 1) ....................... 57
Hình 4.4: Đường đi vòng cuối của thuật toán A-sao (lần 1) ..................................... 57
Hình 4.5: Trung bình năng lư ợng còn lại sau 5000 vòng truyền............................... 58
Hình 4.6: Số nút sống sau 5000 vòng truyền ............................................................. 58
Hình 4.7: Thống kê số vòng khi nút đầu tiên và nút thứ 50 chết (lần 1)................... 59
Hình 4.8: Đường đi vòng cuối của phương thức A-sao kết hợp tiếp cận mờ (lần 2) 60
ix
Hình 4.9: Đường đi vòng cuối của phương thức đề xuất (lần 2)............................... 60
Hình 4.10: Đường đi vòng cuối của phương thức tiếp cận mờ (lần 2) ..................... 61
Hình 4.11: Đường đi vòng cuối của thuật toán A-sao (lần 2) ................................... 61
Hình 4.12: Trung bình năng lư ợng còn lại sau 10000 vòng truyền........................... 62
Hình 4.13: Số nút sống sau 10000 vòng truyền ......................................................... 62
Hình 4.14: Thống kê số vòng khi nút đầu tiên và nút thứ 50 chết (lần 2)................. 63
Hình 4.15: Đường đi vòng cuối của phương thức A-sao kết hợp tiếp cận mờ (lần 3)
..................................................................................................................................... 64
Hình 4.16: Đường đi vòng cuối của phương thức đề xuất (lần 3)............................. 64
Hình 4.17: Đường đi vòng cuối của phương thức tiếp cận mờ (lần 3) ..................... 65
Hình 4.18: Đường đi vòng cuối của thuật toán A-sao (lần 3) ................................... 65
Hình 4.19: Trung bình năng lư ợng còn lại sau 15000 vòng truyền........................... 66
Hình 4.20: Số nút sống sau 15000 vòng truyền ......................................................... 66
Hình 4.21: Thống kê số vòng khi nút đầu tiên và nút thứ 50 chết (lần 3)................. 67
Hình 4.22: Đường đi vòng cuối của phương thức A-sao kết hợp tiếp cận mờ (lần 4)
..................................................................................................................................... 68
Hình 4.23: Đường đi vòng cuối của phương thức đề xuất (lần 4)............................. 68
Hình 4.24: Đường đi vòng cuối của phương thức tiếp cận mờ (lần 4) ..................... 69
Hình 4.25: Đường đi vòng cuối của thuật toán A-sao (lần 4) ................................... 69
Hình 4.26: Trung bình năng lư ợng còn lại sau 20000 vòng truyền........................... 70
Hình 4.27: Số nút sống sau 20000 vòng truyền ......................................................... 70
Hình 4.28: Thống kê số vòng khi nút đầu tiên và nút thứ 50 chết (lần 4)................. 71
1
MỞ ĐẦU
Ngày nay với sự phát triển của Khoa học – Công nghệ và Internet kết hợp với
tiến bộ kỹ thuật đã phát triển các thế hệ cảm biến mới giá thành thấp, khả năng triển
khai qui mô lớn với độ chính xác cao. Các tiến bộ trong việc thiết kế cảm biến, vật
liệu giúp giảm kích thước, trọng lượng và chi phí sản xuất cảm biến đồng thời tăng
khả năng hoạt động và độ chính xác. Trong tương lai gần, mạng cảm biến không dây
sẽ có thể tích hợp hàng triệu cảm biến vào hệ thống để cải thiện chất lượng và tuổi
thọ mạng. Do đó, các mạng cảm biến không dây được sử dụng rộng rãi trong nhiều
ứng dụng để thu thập thông tin sau đó chuyển tiếp đến trung tâm phân tích.
Với tiềm năng vô cùng lớn không chỉ trong khoa học và nghiên cứu, mà các
mạng cảm biến không dây còn được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng an ninh,
quân sự (bảo vệ mục tiêu trọng yếu, trinh sát và tìm mục tiêu, thu thập tin tức tình
báo, giám sát chiến trường, phát hiện vũ khí hóa học – sinh học – hạt nhân,…), lĩnh
vực y tế (chuẩn đoán, theo dõi kiểm tra tình trạng bệnh nhân, chăm sóc sức khỏe,…),
bảo vệ môi trường, năng lượng, an toàn thực phẩm, sản xuất, điều khiển công nghiệp,
nhà thông minh, giám sát điều khiển giao thông, nông nghiệp xanh,…và nhiều lĩnh
vực khác mà mạng cảm biến không dây sẽ mang lại sự tiện nghi và các ứng dụng
thiết thực nâng cao chất lượng cuộc sống cho con người.
Bên cạnh đó, do các cảm biến còn hạn chế về bộ nhớ, khả năng tính toán và
năng lượng (nguồn pin thấp) cho nên việc tăng cường tuổi thọ của mạng cảm biến
không dây là một thách thức lớn.Vì vậy, việc nghiên cứu đề xuất phương thức định
tuyến hiệu quả cho các mạng cảm biến không dây để mở rộng tuổi thọ mạng luôn là
một trong những vấn đề được quan tâm.
Chính vì các lý do cơ bản trên, việc lựa chọn đề tài nghiên cứu “Sử dụng
phương pháp tiếp cận mờ và các thuật toán tìm kiếm để cân bằng mức năng
lượng tiêu thụ và tối đa tuổi thọ cho các mạng cảm biến không dây” là cần thiết
và đáp ứng yêu cầu cấp thiết của việc sử dụng năng lượng hiệu quả trong cảm biến
mạng không dây hiện nay.
2
Luận văn được bố cục như sau:
Chương 1 – Cơ sở lý luận
Chương 2 – Các công trình liên quan
Chương 3 – Phương thức định tuyến hiệu quả để cân bằng mức năng lượng
tiêu thụ và tối đa tuổi thọ cho các mạng cảm biến không dây
Chương 4 – Mô phỏng và đánh giá
3
CHƯƠNG 1 - CƠ SỞ LÝ LUẬN
1.1.
Tổng quan về mạng cảm biến không dây [1]
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) bao gồm một tập hợp
các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc
quang học) để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu phân tán với
quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào, giám sát nhiệt độ, âm
thanh, rung động, áp suất, chuyển động hoặc các chất gây ô nhiễm và phối hợp truyền
dữ liệu qua mạng đến vị trí chính hoặc bộ thu phát tại đây dữ liệu được xem xét và
phân tích. Mạng cảm biến không dây có thể liên kết trực tiếp với nút quản lý giám sát
trực tiếp hay gián tiếp thông qua một bộ thu phát (Sink) và môi trường mạng công
cộng như Internet hay vệ tinh. Một bộ thu phát hay trạm gốc hoạt động như một giao
diện giữa người dùng và mạng. Người dùng có thể trích xuất thông tin được yêu cầu
từ mạng bằng cách truy vấn và thu thập các kết quả từ bộ thu phát. Bình thường một
mạng cảm biến không dây có hàng trăm nghìn nút cảm biến. Các nút cảm biến có thể
giao tiếp với nhau thông qua tín hiệu vô tuyến (radio).
Một nút cảm biến không dây được trang bị với bộ cảm biến và tính toán, bộ
thu phát vô tuyến và bộ nguồn. Các nút đơn lẻ trong một mạng cảm biến không dây
(WSN) vốn có tài nguyên hạn chế: chúng có tốc độ xử lý, dung lượng lưu trữ và băng
thông giới hạn. Sau khi các nút cảm biến được triển khai, chúng chịu trách nhiệm tự
tổ chức một hạ tầng mạng thích hợp thường giao tiếp đa liên kết với nhau. Sau đó,
các cảm biến trên cùng một mạng bắt đầu thu thập thông tin quan tâm. Thiết bị cảm
biến không dây cũng đáp ứng các truy vấn được gửi từ một "trang điều khiển" để thực
hiện các hướng dẫn cụ thể hoặc các mẫu cảm biến chỉ định sẵn. Cơ chế làm việc của
các nút cảm biến có thể là liên tục hoặc theo sự kiện. Hệ thống định vị toàn cầu (GPS)
và các thuật toán định vị cục bộ có thể được sử dụng để có được thông tin vị trí và
định vị. Thiết bị cảm biến không dây có thể được trang bị bộ truyền động để "hoạt
động" theo các điều kiện nhất định.
4
Do yêu cầu về thiết bị đơn giản cùng với mức tiêu thụ năng lượng thấp (tuổi
thọ mạng), cần phải có sự cân bằng giữa truyền nhận và khả năng xử lý tín hiệu/dữ
liệu. Từ đó thúc đẩy nỗ lực trong nghiên cứu, chuẩn hóa quy trình, đầu tư công nghiệp
vào lĩnh vực cảm biến không dây. Hiện tại, hầu hết các nghiên cứu về WSN tập trung
vào việc thiết kế các thuật toán và giao thức hiệu quả về năng lượng và tính toán.
Cheng và các cộng sự, 2011 [2], đưa ra một cấu trúc mạng thu thập dữ liệu nhận thức
độ trễ được đề xuất cho các mạng cảm biến không dây. Mục tiêu của cấu trúc mạng
đưa ra là để giảm thiểu độ trễ trong quá trình thu thập dữ liệu của các mạng cảm biến
không dây mở rộng trong suốt vòng đời mạng. Truyền nhận hiệu quả năng lượng
cũng đã được đề cập trong nghiên cứu của Paul và các cộng sự, 2011 [3], các tác giả
đã đề xuất một giải pháp hình học để định vị vị trí bộ thu phát tối ưu để tối đa tuổi
thọ mạng. Hầu hết thời gian, các nghiên cứu về mạng cảm biến không dây đều xét
trên các nút cảm biến đồng nhất. Nhưng ngày nay các nhà nghiên cứu đã tập trung
vào các mạng cảm biến không đồng nhất nơi các nút cảm biến không giống nhau về
mặt năng lượng. Kiến trúc mạng mới với các thiết bị không đồng nhất và sự tiến bộ
trong công nghệ loại bỏ những hạn chế hiện tại và mở rộng dải ứng dụng cho WSN
một cách đáng kể.
1.1.1. Cấu trúc mạng cảm biến không dây:
Một mạng cảm biến không dây bao gồm số lượng lớn các nút được triển khai
dày đặc bên trong hoặc ở rất gần đối tượng cần thăm dò, thu thập thông tin dữ liệu.
Vị trí các cảm biến không cần định trước vì vậy cho phép triển khai ngẫu nhiên trong
các vùng không thể tiếp cận hoặc các khu vực nguy hiểm. Khả năng tự tổ chức mạng
và cộng tác làm việc của các cảm biến không dây là những đặc trưng rất cơ bản của
mạng này. Với số lượng lớn các cảm biến không dây được triển khai gần nhau thì
giao tiếp đa liên kết được lựa chọn để công suất tiêu thụ là nhỏ nhất (so với giao tiếp
đơn liên kết) và mang lại hiệu quả truyền tín hiệu tốt hơn so với truyền khoảng cách
xa.
Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây được thể hiện trên hình 1.1.
Các nút cảm biến được triển khai trong một trường cảm biến (sensor field). Mỗi nút
5
cảm biến được phát tán trong mạng có khả năng thu thập thông tin số liệu, định tuyến
số liệu về bộ thu phát (Sink) để chuyển tới người dùng (User) và định tuyến các bản
tin mang theo yêu cầu từ nút Sink đến các nút cảm biến. Số liệu được định tuyến về
phía bộ thu phát (Sink) theo cấu trúc đa liên kết không có cơ sở hạ tầng nền tảng
(Multihop Infrastructureless Architecture), tức là không có các trạm thu phát gốc hay
các trung tâm điều khiển. Bộ thu phát có thể liên lạc trực tiếp với trạm điều hành
(Task Manager Node) của người dùng hoặc gián tiếp thông qua Internet hay vệ tinh
(Satellite).
Hình 1.1: Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây
1.1.1.1.
Cấu trúc của một nút cảm biến không dây:
Mỗi nút cảm biến bao gồm bốn thành phần cơ bản là: bộ cảm biến, bộ xử lý,
bộ thu phát không dây và nguồn điện (hình 1.2). Tùy theo ứng dụng cụ thể, nút cảm
biến còn có thể có các thành phần bổ sung như hệ thống tìm vị trí, bộ sinh năng lượng
và thiết bị di động. Bộ cảm biến thường gồm hai đơn vị thành phần là đầu đo cảm
biến (Sensor) và bộ chuyển đổi tương tự/số (ADC). Các tín hiệu tương tự được thu
nhận từ đầu đo, sau đó được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ chuyển đổi ADC, rồi
mới được đưa tới bộ xử lý. Bộ xử lý, thường kết hợp với một bộ nhớ nhỏ, phân tích
thông tin cảm biến và quản lý các thủ tục cộng tác với các nút khác để phối hợp thực
hiện nhiệm vụ. Bộ thu phát đảm bảo thông tin giữa nút cảm biến và mạng bằng kết
nối không dây, có thể là vô tuyến, hồng ngoại hoặc bằng tín hiệu quang. Một thành
phần quan trọng của nút cảm biến là bộ nguồn. Bộ nguồn, có thể là pin hoặc ắc quy,
cung cấp năng lượng cho nút cảm biến và không thay thế được nên nguồn năng lượng
6
của nút thường là giới hạn. Bộ nguồn có thể được hỗ trợ bởi các thiết bị sinh điện, ví
dụ như các tấm pin mặt trời nhỏ.
Hầu hết các công nghệ định tuyến trong mạng cảm biến và các nhiệm vụ cảm
biến yêu cầu phải có sự nhận biết về vị trí với độ chính xác cao. Do đó, các nút cảm
biến thường phải có hệ thống tìm vị trí. Các thiết bị di động đôi khi cũng cần thiết để
di chuyển các nút cảm biến theo yêu cầu để đảm bảo các nhiệm vụ được phân công.
Hình 1.2: Các thành phần của một nút cảm biến [5]
Một sơ đồ khối chức năng của một nút cảm biến không dây linh hoạt được thể
hiện trong hình 1.3. Cách thiết kế module cung cấp một nền tảng linh hoạt để đáp ứng
nhu cầu của nhiều ứng dụng. Ví dụ, tùy thuộc vào cảm biến được triển khai, khối điều
chế tín hiệu được lập trình lại hoặc thay thế. Điều này cho phép sử dụng đa dạng các
loại cảm biến khác nhau với nút cảm biến không dây. Tương tự như vậy, liên kết vô
tuyến có thể được hoán đổi theo yêu cầu về phạm vi không dây của ứng dụng nhất
định và nhu cầu thông tin giao tiếp hai chiều.
7
Hình 1.3: Sơ đồ khối chức năng của một nút cảm biến
Sử dụng bộ nhớ flash, các nút từ xa thu được dữ liệu bằng lệnh từ trạm cuối,
hoặc bởi một sự kiện được cảm biến bởi một hoặc nhiều thông tin đầu vào cho nút.
Hơn nữa, phần mềm nhúng có thể được nâng cấp thông qua mạng không dây. Bộ vi
xử lý có một số chức năng bao gồm:
-
Quản lý thu thập dữ liệu từ các cảm biến.
-
Thực hiện chức năng quản lý năng lượng.
-
Ghép dữ liệu cảm biến với lớp vô tuyến vật lý.
-
Quản lý các giao thức mạng vô tuyến.
Một điều quan trọng của bất kỳ nút cảm biến không dây là giảm thiểu năng
lượng tiêu thụ bởi hệ thống. Thông thường, hệ thống vô tuyến phụ yêu cầu lượng
năng lượng lớn nhất. Do đó, dữ liệu được gửi qua mạng vô tuyến chỉ khi nó được yêu
cầu. Một thuật toán được nạp vào nút để xác định thời điểm gửi dữ liệu dựa trên sự
kiện cảm biến được. Hơn nữa, điều quan trọng là giảm thiểu năng lượng tiêu thụ bởi
cảm biến. Do đó, phần cứng cần được thiết kế để cho phép bộ vi xử lý điều khiển
năng lượng một cách thông minh đến vô tuyến, bộ cảm biến và tín hiệu cảm biến.
8
1.1.1.2.
Cấu trúc giao tiếp của một mạng cảm biến không dây
Các nút cảm biến thường nằm rải rác trong một trường cảm biến như hình 1.1.
Mỗi nút cảm biến rải rác có khả năng thu thập dữ liệu và dữ liệu đường đi cho bộ thu
phát và người dùng cuối. Dữ liệu được định tuyến trở lại cho người dùng cuối bằng
kiến trúc không cơ sở hạ tầng đa liên kết thông qua bộ thu phát như hình 1.1. Bộ thu
phát có thể giao tiếp với nút quản lý tác vụ thông qua Internet hoặc vệ tinh.
Hình 1.4: Chồng giao thức mạng cảm biến không dây.
Chồng giao thức được sử dụng bởi bộ thu phát và các nút cảm biến như trong
hình 1.4. Đây là chồng giao thức kết hợp năng lượng và nhận thức về định tuyến, tích
hợp dữ liệu với các giao thức mạng, giao tiếp năng lượng hiệu quả thông qua môi
trường không dây và thúc đẩy nổ lực kết hợp của các nút cảm biến. Chồng giao thức
bao gồm các lớp ứng dụng, lớp vận chuyển, lớp mạng, lớp liên kết dữ liệu, lớp vật lý,
mặt phẳng quản lý năng lượng, mặt phẳng quản lý di động, và mặt phẳng quản lý tác
vụ. Các loại phần mềm ứng dụng khác nhau có thể được xây dựng và sử dụng trên
lớp ứng dụng phụ thuộc vào các tác vụ cảm biến. Lớp này làm cho phần cứng và phần
mềm của lớp thấp nhất trong suốt với người dùng cuối. Lớp vận chuyển giúp duy trì
9
luồng dữ liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu. Lớp mạng quan tâm đến việc
định tuyến dữ liệu được cung cấp bởi lớp vận chuyển, các giao thức định tuyến không
dây đa liên kết cụ thể giữa các nút cảm biến và bộ thu phát. Lớp liên kết dữ liệu chịu
trách nhiệm ghép kênh dữ liệu, phát hiện khung, Media Access Control (MAC) và
điều khiển lỗi. Vì môi trường có nhiễu và các nút cảm biến có thể di chuyển, giao
thức MAC phải nhận thức được năng lượng và có thể giảm thiểu đụng độ với sự
quảng bá của nút lân cận. Lớp vật lý chỉ đáp ứng nhu cầu của một điều chế đơn giản
nhưng mạnh mẽ, lựa chọn tần số, mã hóa dữ liệu, kỹ thuật truyền và nhận.
Ngoài ra, các mặt phẳng quản lý năng lượng, di động và tác vụ giám sát năng
lượng, sự di chuyển, và tác vụ phân phối trong các nút cảm biến. Những mặt phằng
này giúp các nút cảm biến phối hợp với nhiệm vụ cảm biến và giảm mức tiêu thụ
năng lượng tổng thể.
1.1.2. Đặc điểm mạng cảm biến không dây [4]:
Trong mạng cảm biến, cảm biến được xem như là phần quan trọng nhất phục
vụ cho các ứng dụng. Công nghệ cảm biến và điều khiển bao gồm các cảm biến
trường điện từ; cảm biến tần số vô tuyến; quang, hồng ngoại; radars; lasers; các cảm
biến định vị, dẫn đường; đo đạc các thông số môi trường; và các cảm biến phục vụ
trong ứng dụng an ninh, sinh hóa,… Ngày nay, cảm biến được sử dụng với số lượng
lớn.
Mạng WSNs có đặc điểm riêng, công suất bị giới hạn, thời gian cung cấp năng
lượng của nguồn (chủ yếu là pin) có thời gian ngắn, chu kỳ nhiệm vụ ngắn, quan hệ
đa chặng, số lượng lớn các nút cảm biến,…
Cảm biến có thể chỉ gồm một hay dãy cảm biến. Kích thước rất đa dạng, từ
nano (1 – 100nm), meso (100 – 10000nm), micro (10 – 1000um), macro (vài mmm),…
Do đặc tính của mạng WSNs là di động và trước đây chủ yếu là phục vụ cho
các ứng dụng quân sự nên đòi hỏi tính bảo mật cao. Ngày nay, các ứng dụng WSNs
mở rộng cho các ứng dụng thương mại, việc tiêu chuẩn hóa sẽ tạo nên tính thương
mại cao cho WSNs. Có nhiều phần nghiên cứu về WSNs.
10
Các nghiên cứu gần đây phát triển thông tin công suất thấp với các nút xử lý
giá thành thấp và có khả năng tự phân bố sắp xếp, lựa chọn giao thức cho mạng, giải
quyết bài toán quan trọng nhất của mạng WSNs là khả năng cung cấp năng lượng cho
các nút bị giới hạn. Các mô hình không dây, có mạch tiêu thụ năng lượng thấp được
ưu tiên phát triển. Hiệu quả của sử dụng công suất của WSNs về tổng quát dựa trên
3 tiêu chí:
-
Chu kỳ hoạt động ngắn.
-
Xử lý dữ liệu nội bộ tại các nút để giảm chiều dài dữ liệu, thời gian
-
Mô hình mạng đa chặng làm giảm chiều dài đường truyền, qua đó giảm
truyền.
suy hao tổng cộng, giảm tổng công suất cho đường truyền.
WSNs được phân ra làm 2 loại, theo mô hình kết nối và định tuyến mà các nút
sử dụng:
-
Loại 1 (C1WSNs):
o
Sử dụng giao thức định tuyến động.
o
Các nút tìm đường đi tốt nhất đến đích.
o
Vai trò của các nút cảm biến này với các nút kế tiếp như là các trạm lặp
(repeater).
o
Khoảng cách rất lớn (hàng ngàn mét).
o
Khả năng xử lý dữ liệu ở các nút chuyển tiếp.
o
Mạng phức tạp.
-
Loại 2 (C2WSNs):
o
Mô hình đa chặng hay point to point, một kết nối vô tuyến đến nút trung
o
Sử dụng giao thức định tuyến tĩnh.
o
Một nút không cung cấp thông tin cho các nút khác.
o
Khoảng cách vài trăm mét.
o
Nút chuyển tiếp không có khả năng xử lý dữ liệu cho các nút khác.
o
Hệ thống tương đối đơn giản.
tâm.
11
Tiêu chuẩn tần số đang được áp dụng cho WSNs là IEEE 802.15.4. Hoạt động
tại tần số 2.4GHz trong công nghiệp, khoa học và y học (ISM), cung cấp đường truyền
dữ liệu với tốc độ lên đến 250Kbps ở khoảng cách 30 đến 200 feet. Zigbee/I EEE
802.15.4 được thiết kế để bổ sung cho các công nghệ không dây như là Bluetooth,
Wifi, Ultrawideband (UWB), mục đích phục vụ cho các ứng dụng thương mại.
Với sự ra đời của tiêu chuẩn Zigbee/IEEE 802.15.4, các hệ thống dần phát
triển theo hướng tiêu chuẩn, cho phép các cảm biến truyền thông tin qua kênh truyền
được tiêu chuẩn hóa. Nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực mạng mobile ad hoc
(MANETs). WSNs tương tự như MANETs theo một vài đặc điểm. Cả hai đều là
chuẩn mạng wireless, đa chặng. Tuy nhiên, các ứng dụng và kỹ thuật giữa 2 hệ thống
có khác nhau.
-
Dạng thông thường của WSN là đa nguồn dữ liệu truyền đến nơi nhận,
khác hẳn point to point trong MANETs.
-
Các nút trong WSNs ít di động, trong khi ad hoc các nút là di động
-
Trong WSNs, dữ liệu từ các cảm biến chủ yếu từ các hiện tượng, sự
kiện ở thế giới thực. Ở MANETs chủ yếu là dữ liệu.
-
Nguồn giới hạn, năng lượng trong WSNs được quản lý sử dụng rất chặt
chẽ. Trong MANETs có thể không bị ràng buộc bởi nguồn cung cấp do các thiết bị
thông tin có thể được thay thế nguồn cung cấp thường xuyên bởi người dùng.
-
Số lượng nút trong WSNs rất lớn, MANETs ít hơn.
Do sự khác biệt giữa 2 mô hình giao thức mà các giao thức định tuyến
trong MANETs không thể áp dụng hoàn toàn cho WSNs. Tuy nhiên WSNs có thể coi
như một phần trong MANETs (ad hoc).
Một vài đặc điểm của mạng cảm biến:
-
Các nút phân bố dày đặc.
-
Các nút dễ bị hư hỏng.
-
Giao thức mạng thay đổi thường xuyên.
-
Nút bị giới hạn về công suất, khả năng tính toán và bộ nhớ.
12
-
Các nút có thể không được đồng nhất toàn hệ thống vì số lượng lớn các
-
Kích thước vật lý nhỏ gọn.
-
Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao.
-
Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế.
-
Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng.
-
Hoạt động tin cậy.
nút.
1.1.3. Ứng dụng mạng cảm biến không dây:
Các nút cảm biến không dây có thể được triển khai cho các mục đích chuyên
dụng như điều khiển giám sát và an ninh; kiểm tra môi trường; tạo ra không gian sống
thông minh; khảo sát đánh giá chính xác trong nông nghiệp; trong lĩnh vực y tế;... Lợi
thế chủ yếu của chúng là khả năng triển khai hầu như trong bất kì loại hình địa lý nào
kể cả các môi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền
thống.
Các thiết bị cảm biến không dây liên kết thành một mạng đã tạo ra nhiều khả
năng mới cho con người. Các đầu đo với bộ vi xử lý và các thiết bị vô tuyến rất nhỏ
gọn tạo nên một thiết bị cảm biến không dây có kích thước rất nhỏ, tiết kiệm về không
gian. Chúng có thể hoạt động trong môi trường dày đặc với khả năng xử lý tốc độ
cao. Ngày nay, các mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực
như nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở các chất gây ô nhiễm, kiểm
tra giám sát hệ sinh thái và môi trường sinh vật phức tạp, điều khiển giám sát trong
công nghiệp và trong lĩnh vực quân sự, an ninh quốc phòng hay các ứng dụng trong
đời sống hàng ngày.
1.2.
Vấn đề tiêu thụ năng lượng và tuổi thọ mạng [5]
Không cân bằng năng lượng là một vấn đề nghiêm trọng trong mạng cảm biến
không dây. Mạng cảm biến không dây có thể chứa đến hàng ngàn nút cảm biến để
giám sát một vùng không gian rộng lớn, các nút cảm biến xử lý, lưu trữ và gửi thông
tin thu thập đến các nút khác trong mạng; do đó, để truyền dữ liệu các nút cảm biến
yêu cầu phải có nguồn năng lượng, nếu một nút không đủ năng lượng thì không thể
13
truyền dữ liệu, ngoài ra việc phân tán năng lượng không đều có thể giảm đáng kể tuổi
thọ mạng.
Tiêu thụ năng lượng là yếu tố quan trọng nhất để xác định tuổi thọ của một
mạng cảm biến vì thường các nút cảm biến được điểu khiển bởi pin. Đôi khi năng
lượng tối ưu phức tạp hơn trong các mạng cảm biến vì nó không chỉ liên quan đến
giảm tiêu thụ năng lượng mà còn kéo dài tuổi thọ mạng càng lâu càng tốt. Tối ưu hóa
có thể được thực hiện bằng cách nhận thức về năng lượng trong mọi khía cạnh của
thiết kế và vận hành. Điều này đảm bảo rằng nhận thức về năng lượng cũng được đưa
vào các nhóm giao tiếp giữa các nút cảm biến và toàn bộ mạng và không chỉ trong
các nút riêng lẻ.
Một nút cảm biến thường bao gồm 4 hệ thống phụ:
Một hệ thống tính toán phụ: bao gồm bộ vi xử lý (microcontroller unit, MCU)
có trách nhiệm kiểm soát các cảm biến và thực hiện các giao thức giao tiếp. MCU
thường hoạt động dưới nhiều chế độ khác nhau cho mục đích quản lý năng lượng.
Khi các chế độ hoạt động này liên quan đến tiêu thụ năng lượng, nên xem xét mức
tiêu thụ năng lượng ở các chế độ khác nhau trong khi xem xét tuổi thọ pin của mỗi
nút.
Một hệ thống giao tiếp phụ: bao gồm một dải vô tuyến ngắn mà giao tiếp với
các nút lân cận và thế giới bên ngoài. Vô tuyến có thể hoạt động theo các chế độ khác
nhau. Điều quan trọng là phải tắt hoàn toàn vô tuyến thay vì đặt nó ở chế độ không
hoạt động khi nó không truyền hoặc nhận để tiết kiệm năng lượng.
Một hệ thống cảm biến phụ: bao gồm một nhóm các bộ cảm biến và thiết bị
truyền động và liên kết các nút với thế giới bên ngoài. Năng lượng tiêu thụ có thể
được giảm bằng cách sử dụng các thành phần năng lượng thấp và tiết kiệm năng
lượng so với chi phí hiệu suất không cần thiết.
Một hệ thống cấp nguồn phụ: bao gồm một pin cung cấp năng lượng cho nút
cảm biến. Nên lượng năng lượng rút ra từ pin được kiểm tra bởi vì nếu lượng năng
lượng lớn được rút ra trong một thời gian dài, pin sẽ chết nhanh hơn mặc dù nó có
thể đã hoạt động lâu hơn. Thông thường công suất định mức hiện tại của pin được sử
14
dụng cho một nút cảm biến nhỏ hơn mức tiêu thụ năng lượng tối thiểu. Tuổi thọ của
pin có thể tăng lên bằng cách giảm năng lượng sử dụng hiện tại xuống mạnh hoặc
thậm chí tắt nguồn.
Để giảm thiểu mức tiêu thụ năng lượng tổng thể của mạng cảm biến, các loại
giao thức và thuật toán đã được nghiên cứu cho đến nay trên toàn thế giới. Tuổi thọ
của một mạng cảm biến có thể tăng lên đáng kể nếu hệ điều hành, lớp ứng dụng và
các giao thức mạng được thiết kế để nhận thức năng lượng. Các giao thức và thuật
toán này phải được nhận thức về phần cứng và có thể sử dụng các tính năng đặc biệt
của vi xử lý và thu phát để giảm thiểu mức tiêu thụ năng lượng của nút cảm biến.
Điều này có thể đẩy đến một giải pháp tùy chỉnh khác nhau của thiết kế các loại nút
cảm biến. Các loại nút cảm biến khác nhau được triển khai cũng dẫn đến các loại
mạng cảm biến khác nhau. Điều này cũng có thể dẫn đến các loại thuật toán kết hợp
khác nhau trong lĩnh vực mạng cảm biến không dây.
1.3.
Các giao thức và thuật toán định tuyến trong mạng cảm biến
không dây [4], [6]
Cách liên lạc đơn giản từ các nút đến trạm gốc là trao đổi trực tiếp. Tuy nhiên,
liên kết truyền một chặng (single-hop) tiêu hao năng lượng nhanh chóng của các nút
ở cách xa trạm trung tâm, do đó làm giảm tuổi thọ mạng. Đây là vấn đề quan trọng
đối với các mạng cảm biến không dây được xây dựng phân bố trên phạm vi rộng hay
các nút di động và có thể di chuyển ra xa trạm trung tâm.
Để giải quyết nhược điểm đó, thì dữ liệu trao đổi giữa các cảm biến và trạm
gốc được truyền đa chặng (multihop). Việc truyền đa chặng có thể kéo dài khoảng
cách và đưa ra một đường đi linh hoạt. Phương pháp này tiết kiệm hiệu quả năng
lượng và giảm đáng kể nhiễu giữa các nút.
Trong truyền đa chặng, các nút trung gian phải tham gia vào việc chuyển các
gói dữ liệu giữa nguồn và đích. Xác định các nút trung gian cần phải đi qua là nhiệm
vụ của giải thuật định tuyến. Định tuyến trong mạng lớn gặp nhiều khó khăn, thiết kế
phải đảm bảo chính xác, tính ổn định và khả năng tối ưu. Cùng với đặc tính mạng
