TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 7
Chương này tóm tắt các giao thức lớp định tuyến và MAC trong mạng cảm biến không dây, đồng thời giới thiệu các tham số hiệu năng của mạng Mục tiêu chính là khảo sát các nghiên cứu nhằm cải thiện hiệu suất mạng cảm biến không dây đa sự kiện, từ đó xác định các hạn chế trong các nghiên cứu trước và đề xuất hướng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu, cùng phương thức tiếp cận cho luận án.
1 1 MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ĐA SỰ KIỆN
Nút quản lý nhiệm vụ
Yêu cầu QoS ứng dụng:
- Thông lượng cao Yêu cầu của WSN:
- Sử dụng hiệu quả năng lượng
Mạng cảm biến không dây đa sự kiện, như mạng cảnh báo cháy rừng và mạng cảm biến trong nhà thông minh, bao gồm các nút cảm biến được thiết kế để đáp ứng những yêu cầu đa dạng về chất lượng Những mạng này đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát và quản lý các sự kiện khác nhau, đảm bảo hiệu quả và độ tin cậy cao trong việc thu thập và truyền tải dữ liệu.
: Nội dung của chương trình bày tổng quan về mạng cảm biến không
8 cảm biến cần chuyển tiếp thông tin cảm biến về các sự kiện tới điểm tập hợp dữ liệu
Mỗi sự kiện trong mạng cảm biến không dây đều có những yêu cầu riêng về chất lượng dịch vụ, bao gồm độ trễ, tốc độ, độ tin cậy và độ ưu tiên Hình 1.1 minh họa rõ nét cấu trúc của một mạng cảm biến không dây đa sự kiện.
Các nút cảm biến, thường là những thiết bị nhỏ gọn và giá thành rẻ, được phân bố trong trường cảm biến để kết hợp khả năng cảm biến, xử lý và truyền tải thông tin qua hạ tầng không dây đến điểm tập hợp dữ liệu (sink) Dữ liệu sẽ được định tuyến về sink qua con đường trực tiếp hoặc qua nhiều chặng, và sink có khả năng giao tiếp với nút quản lý nhiệm vụ thông qua vệ tinh hoặc Internet.
Công nghệ MEMS (Micro ElectroMechanical System) cho phép sản xuất các cảm biến vi cơ điện tử với kích thước từ vài micromet đến vài milimet.
Bộ quản lý di động
Thiết bị biến ADC Bộ lưu trữ
Hình 1 2: Thành phần của một nút cảm biến [15]
Một nút mạng cảm biến thường bao gồm bốn khối chính: (1) khối cảm biến, có chức năng nhận diện sự thay đổi từ môi trường và chuyển đổi thành tín hiệu điện; (2) khối xử lý, với dung lượng nhỏ, để quản lý và phân tích dữ liệu thu được; (3) khối truyền thông, để truyền tải thông tin đến các nút khác trong mạng; và (4) khối nguồn, cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống.
Nút cảm biến có thể tích hợp nhiều thành phần bổ sung như hệ thống định vị, bộ phận phát điện và bộ quản lý di động Trong đó, khối truyền thông (thu phát) là phần tiêu thụ năng lượng nhiều nhất, do đó, nhiều nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc tối ưu hóa khối này nhằm tiết kiệm năng lượng hiệu quả hơn.
Mạng cảm biến có thể kết nối các nút thông qua liên kết hữu tuyến hoặc vô tuyến Việc kết nối không dây giúp truyền thông tin trong mạng cảm biến không dây (WSN) đến các trạm thu và xử lý, cũng như vào Internet, trở nên dễ dàng hơn Các ứng dụng hiện đại ngày càng ưu tiên sử dụng kết nối không dây nhờ vào tính linh hoạt và khả năng triển khai đơn giản.
Mạng cảm biến không dây có thể biểu diễn như một đồ thị vô hướng
Trong mô hình mạng cảm biến G = (V, E), V đại diện cho tập hợp các đỉnh bao gồm các nút cảm biến và nút sink, trong khi E biểu thị các cạnh kết nối giữa chúng Giả sử có N nút cảm biến được phân bố ngẫu nhiên trong một khu vực có kích thước L×L (m²) Một liên kết E giữa nút i và nút j tồn tại nếu khoảng cách Euclidean giữa chúng không vượt quá bán kính truyền dẫn tối đa d_max Nút sink, có chức năng thu thập và giám sát dữ liệu, được đặt ở vị trí cố định, không bị giới hạn về năng lượng, và biết rõ vị trí của mình cũng như của tất cả các nút cảm biến Trong mạng cảm biến theo sự kiện, khi phát hiện sự kiện, các nút cảm biến sẽ gửi thông tin trực tiếp hoặc tìm đường gián tiếp đến nút sink thông qua các nút lân cận.
Trong mạng cảm biến, kết nối thường diễn ra theo một chiều từ các cảm biến đến sink Tuy nhiên, cũng có những kết nối ngược lại khi các nút cảm biến cần tìm đường hoặc phát quảng bá thông tin.
Truyền thông trong mạng cảm biến có thể diễn ra theo hai hình thức: đơn bước (trực tiếp) hoặc đa bước (gián tiếp) Do các nút cảm biến được triển khai dày đặc và thường ở gần nhau, việc áp dụng truyền thông đa bước trở nên khả thi và hiệu quả hơn.
Năng lượng tiêu thụ trong mạng cảm biến không dây bao gồm ba thành phần chính: cảm biến, truyền thông (thu, phát) và xử lý dữ liệu Trong đó, năng lượng tiêu thụ cho truyền thông là phần quan trọng nhất.
Trong luận án, năng lượng cần thiết cho việc thu phát thông tin được xây dựng dựa trên mô hình vô tuyến bậc nhất Cụ thể, năng lượng điện tử ( elec) là năng lượng cần để phát hoặc thu một bít dữ liệu, trong khi năng lượng khuếch đại ( amp) là năng lượng cần để khuếch đại một bít dữ liệu tại bên phát Khoảng cách giữa bên phát và bên thu được ký hiệu là d.
Hình 1 3: Mô tả hình năng lượng thu phát của nút cảm biến [15], [58]
Khi đó, năng lượng tiêu thụ để gửi một bản tin có độ dài là S bít tới nút ở khoảng cách d được tính theo công thức sau [58]:
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây là quá trình chọn đường đi cho các gói tin từ nguồn đến đích Mục tiêu chính của các giao thức định tuyến là đảm bảo đáp ứng yêu cầu chất lượng của ứng dụng và tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên mạng.
1 1 4 1 Phân loại định tuyến trong mạng cảm biến không dây
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây được phân loại thành bốn loại chính, dựa trên kiến trúc mạng, hoạt động của giao thức, thiết lập tuyến đường và nút khởi hoạt truyền thông Hình 1.4 minh họa sự phân loại các giao thức định tuyến cơ bản này.