nghiên cứu giao thức phân cụm sử dụng logic mờ để tăng hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến không dây

Từ đó thể hiệnđược hiệu năng và việc phân bố sử dụng năng lượng của các phương pháp phâncụm dựa trên Logic Mờ đã hiệu quả hơn so với các phương pháp phân cụm truyềnthống.Nội dung đề án t

-Đồng Văn Hiệp

NGHIÊN CỨU GIAO THỨC PHÂN CỤM SỬ DỤNG LOGIC MỜ ĐỂ

TĂNG HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KỸ THUẬT

(Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI - NĂM 2024

Đồng Văn Hiệp

NGHIÊN CỨU GIAO THỨC PHÂN CỤM SỬ DỤNG LOGIC MỜ ĐỂ

TĂNG HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan tất cả nội dung trong đề án “Nghiên cứu giao thức phân cụm

sử dụng Logic mờ để tăng hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến không dây” là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn, chỉ bảo, góp ý của

PGS.TS Trương Cao Dũng và TS Bùi Xuân Kiên Các số liệu, kết quả nêu trong

đề án tốt nghiệp là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trìnhnào khác và không sao chép dưới mọi hình thức Các tài liệu tham khảo trong đề ánđược trích dẫn đầy đủ, rõ ràng

Tôi xin chịu mọi trách nhiệm về công trình nghiên cứu của riêng mình !

Tác giả đề án

Đồng Văn Hiệp

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên và trên hết, em xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến người hướngdẫn khoa học PGS TS Trương Cao Dũng và TS Bùi Xuân Kiên, người không chỉhướng dẫn trực tiếp về mặt khoa học mà còn hỗ trợ em về mọi mặt và động viên để

em có thể hoàn thành đề án này sau hơn một năm học Thạc sĩ Hơn nữa, chínhnhững kiến thức, sự chỉ bảo tận tâm, sự động viên cổ vũ của thầy đã giúp em cónhiều cơ hội, dự định học lên những cấp cao hơn

Em cũng xin chân thành cảm ơn toàn thể giảng viên của khoa Kỹ thuật điện

tử 1 và khoa Đào tạo Sau Đại học đã luôn giúp đỡ, luôn nhiệt tâm giảng dạy, hướngdẫn và chia sẻ những kiến thức và kinh nghiệm quý báu cho em trong suốt nhữngnăm học vừa qua về lĩnh vực ICT nói chung và lĩnh vực Điện tử nói riêng Đối với

em, đây là một hành trình tương đối khó khăn và đầy thử thách, cả trong thời gianhọc tập cũng như nghiên cứu Nhưng nhờ sự giúp đỡ và tận tình chỉ dạy của cácthầy cô trong quá trình học Thạc sĩ tại trường, em đã có thêm những kiến thức, đượctạo nền tảng, dạy cách tư duy, định hướng để em có thể hoàn thành quá trình họctập và thực hiện đề án này và giúp em có thể tự tin hơn trong những hành trang phíatrước của mình Em sẽ mãi khắc ghi công ơn dạy dỗ này của các thầy cô trong khoa

Kỹ thuật điện tử 1 và khoa Đào Tạo Sau Đại Học

Em xin cảm ơn các anh chị và các bạn học viên của lớp M22CQDT01-B đãluôn sát cánh và đồng hành cùng em trong quá trình học tập tại trường và hoànthành đề án

Cuối cùng, em dành những lời yêu thương nhất đến gia đình em, bố mẹ và

vợ con Sự động viên, giúp đỡ và sự hi sinh, nhẫn nại của họ là động lực mạnh mẽgiúp tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành đề án này

Xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC BẢNG vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WSN) 3

1.1 Giới thiệu chung về WSN 3

1.1.1 Mô hình kiến trúc mạng cảm biến không dây WSN 3

1.1.2 Ứng dụng của Mạng cảm biến cảm biến không dây 7

1.2 Ưu nhược điểm của mạng cảm biến không dây 11

1.3 Các kiểu mạng cảm biến không dây 14

1.3.1 Cấu trúc phẳng 14

1.3.2 Cấu trúc phân tầng 15

1.4 Định tuyến và phân cụm trong WSN 16

1.4.1 Vấn đề định tuyến trong WSN 16

1.4.2 Vấn đề phân cụm trong WSN 17

1.5 Kết luận chương 1 18

CHƯƠNG 2 – GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 19

2.1 Giới thiệu chung 19

2.2 Một số tham số sử dụng trong WSN 19

2.2.1 Năng lượng nút cảm biến 20

2.2.2 Mật độ nút mạng 20

2.2.3 Thời gian sống của mạng 21

2.2.4 Số bước nhảy 22

2.2.5 Chi phí 22

2.3 Mô hình tiêu thụ năng lượng trong WSN 23

2.4 Một số giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây 26

2.4.1 Giao thức dựa trên cấu trúc mạng dạng phẳng 28

2.4.2 Giao thức dựa trên vị trí 30

2.4.3 Giao thức dựa trên cấu trúc mạng phân cấp 32

2.5 Kết luận chương 2 35

CHƯƠNG 3 – ĐỀ XUẤT GIAO THỨC PHÂN CỤM SỬ DỤNG LOGIC MỜ 37

3.1 Logic mờ và logic mờ trong mạng cảm biến không dây 37

3.1.1 Giới thiệu chung về logic mờ 37

3.1.2 Logic mờ trong mạng cảm biến không dây 37

3.2 Đề xuất xây dựng giao thức phân cụm sử dụng logic mờ 39

3.2.1 Cân bằng tải phân tán và phân cụm không đều sử dụng logic mờ (DUCF) 40 3.2.2 Tiếp cận mờ phân tán cho thuật toán định tuyến và phân cụm không đều (DFCR) 44

3.3 Mô phỏng, thử nghiệm giao thức đề xuất 48

3.4 Đánh giá kết quả mô phỏng 50

3.5 Kết luận chương 3 54

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt

AND All Node Dies Tất cả các nút chế

FIS Fuzzy Interfence System Hệ thống suy luận mờ

FND First Node Dies Nút đầu tiên chết

GPS Global Positioning System Hệ thống định vụ toàn cầu

HND Half Node Dies Nửa số nút chết

IoT Internet of Things Internet vạn vật

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

TDMA Time-division multiple access Truy cập phân chia theo thời gianWSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1 Quy tắc ánh xạ suy luận mờ của DUCF 42Bảng 3.2 Quy tắc ánh xạ suy luận mờ của DFCR 47Bảng 3.3 Các tham số mạng cảm biến không dây 49

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Mô hình cơ bản của mạng cảm biến không dây 4

Hình 1.2 Mô hình của mạng cảm biến không dây phân cụm 5

Hình 1.3 Cấu tạo của nút cảm biến 6

Hình 1.4 Mạng cảm biến không dây và IoT 7

Hình 1.5 Ứng dụng trong quân sự 8

Hình 1.6 Ứng dụng trong công nghiệp 10

Hình 1.7 Ứng dụng trong nông nghiệp 11

Hình 1.8 Mô hình cấu trúc phẳng của WSN 14

Hình 1.9 Sự phân chia cụm trong WSN 15

Hình 1.10 Sự phân theo chức năng trong WSN 16

YHình 2.1 Phân bố của nút cảm biến ……… 22

Hình 2.2 Mô hình truyền thông đa bước 24

Hình 2.3 Mô hình tiêu hao năng lượng vô tuyến 25

Hình 2.4 Phân loại các giao thức định tuyến trong WSN 28

YHình 3.1 Mô hình hệ thống suy luận mờ FIS tổng quát ……… 38

Hình 3.2 Mô hình phân cụm trong mạng cảm biến không dây 40

Hình 3.3 Sơ đồ hoạt động của DUCF 41

Hình 3.4 Các tham số đầu vào (a) Mức năng lượng dư “ResEnergy”; (b) Bậc của nút “NodeDegree”; (c) Khoảng cách tới trạm gốc “DistanceBS” 42

Hình 3.5 Giá trị đầu ra cơ hội “Chance” 42

Hình 3.6 Giá trị đầu ra kích thước “Size” 42

Hình 3.7 Các tham số đầu vào (a) Mức năng lượng “Energy level”; (b) Khoảng cách đến trạm gốc “DisttoBS”; (c) Fuzzy fitness1 45

Hình 3.8 Các tham số đầu vào (a) Mật độ lân cận “Neighbor.density”; (b) Chi phí lân cận “Neighbor.cost”; (c) Tham số đầu ra Fuzzy fitness2 45

Hình 3.9 Đầu ra của bộ FIS cluster radius 46

Hình 3.10 Mô hình WSN trong kịch bản 1, BS nằm ở giữa khu vực cảm biến 49

Hình 3.11 Mô hình WSN trong kịch bản 2, BS nằm ở biên khu vực cảm biến 50

Hình 3.12 Mô hình WSN trong kịch bản 3, BS nằm ở trung tâm khu vực cảm biến 50

Hình 3.13 Số các nút còn hoạt động theo từng vòng trong kịch bản 1 51

Hình 3.14 Biểu đồ so sánh kết quả vòng đời của mạng trong kịch bản 1 51

Hình 3.15 Số các nút còn hoạt động theo từng vòng trong kịch bản 2 52

Hình 3.16 Biểu đồ so sánh kết quả vòng đời của mạng trong kịch bản 2 52

Hình 3.17 Số các nút còn hoạt động theo từng vòng trong kịch bản 3 53

Hình 3.18 Biểu đồ so sánh kết quả vòng đời của mạng trong kịch bản 3 53

MỞ ĐẦU

Mạng cảm biến không dây – Wireless Sensor Network (WSN) đang đóng vai

trò quan trọng trong hạ tầng mạng IoT và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnhvực như quân sự, y tế, nông nghiệp, môi trường WSN thu thập thông tin từ môitrường và gửi đến trung tâm để xử lý Tuy nhiên, mạng cảm biến gặp vấn đề vềnăng lượng và truyền dẫn do các nút cảm biến có nguồn năng lượng hạn chế Cảithiện hiệu năng của mạng là ưu tiên hàng đầu trong nghiên cứu toàn cầu vì nhữngứng dụng quan trọng của WSN

Rất nhiều các nghiên cứu đã được thực hiện với mục đích cải thiện hiệu năngcủa mạng cảm biến không dây và trong đó cải thiện và kéo dài tuổi thọ của mạng làmột trong những giải pháp hiệu quả nhất Thông qua các kĩ thuật khác nhau như cânbằng tải, phân cụm, định tuyến … tuổi thọ của mạng đã được cải thiện đáng kể.Trong các cách tiếp cận đó thì phương pháp phân cụm đã chứng minh được tínhhiệu quả và được ưu tiên sử dụng Tuy nhiên, để có thể tìm ra một phương phápphân cụm hiệu quả và tối ưu thì đó lại là một thách thức không hề Trong đồ án này,tôi sẽ trình bày một số phương pháp phân cụm dựa trên kĩ thuật Logic Mờ (FuzzyLogic) và sử dụng công cụ Matlab để mô phỏng và đánh giá kết quả Từ đó thể hiệnđược hiệu năng và việc phân bố sử dụng năng lượng của các phương pháp phâncụm dựa trên Logic Mờ đã hiệu quả hơn so với các phương pháp phân cụm truyềnthống

Nội dung đề án tốt nghiệp “Nghiên cứu giao thức phân cụm sử dụng Logic

mờ để tăng hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến không dây” được

trình bày theo 3 chương như sau:

 Chương 1: Tổng quan về Mạng cảm biến không dây (WSN): Giới thiệu

chung về lịch sử phát triển cũng như ưu nhược điểm của mạng cảm biếnkhông dây WSN; các cấu trúc của mạng và vấn đề định tuyến và phân cụmcủa mạng

 Chương 2: Giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây:

Trình bày về một số tham số trong WSN và một số giao thức định tuyếndựa trên cấu trúc mạng phẳng, vị trí và cấu trúc phân tầng Đưa ra các ưuđiểm của các giao thức định tuyến cấu trúc phân tầng, trong đó phần phâncụm đóng vai trò quan trọng

 Chương 3: Đề xuất giao thức phân cụm sử dụng logic mờ: Đề xuất giao

thức phân cụm dựa trên logic mờ, từ đó thử nghiệm trên các giao thức vàđánh giá hiệu năng của giao thức đó

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG

DÂY (WSN) 1.1 Giới thiệu chung về WSN

1.1.1 Mô hình kiến trúc mạng cảm biến không dây WSN

Mạng cảm biến không dây (WSN – Wireless Sensor Network) [4] là một khái

niệm đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi từ những năm 1980, đặc biệt là với sựphát triển nhanh chóng của các thiết bị thông minh thì IoT mới trở thành một lĩnhvực được nhiều nhà khoa học chú ý và có khả năng phát triển rộng rãi trong tươnglai Các giai đoạn phát triển mạng cảm biến chính gồm:

- Đầu những năm 1980-1990: Các nghiên cứu ban đầu về mạng cảm biếnkhông dây bắt đầu trong những năm 1980 với mục tiêu tìm hiểu về các hệthống cảm biến và giao tiếp không dây Các nghiên cứu này thường tậptrung vào việc xác định cách kết nối các cảm biến với nhau và với cácthiết bị thu thập dữ liệu

- Thập niên 1990-2000: Trong thời kỳ này, sự phát triển của công nghệkhông dây đã làm cho mạng cảm biến không dây trở nên khả thi và thú vịhơn Các nghiên cứu được tập trung vào việc phát triển các giao thứctruyền thông, các cảm biến tiêu thụ ít năng lượng và các công nghệ mạng

để tạo ra các mạng cảm biến không dây có khả năng hoạt động lâu dài vàhiệu quả

- Thập kỷ sau 2000: Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ không dây và sựgia tăng của Internet đã mở ra cánh cửa cho việc triển khai hàng loạt cácứng dụng thực tiễn của mạng cảm biến không dây Trong thập kỷ này,các ứng dụng của mạng cảm biến không dây đã bao gồm giám sát môitrường, giám sát công nghiệp, y tế, nông nghiệp, quản lý tài nguyên, anninh, và nhiều lĩnh vực khác

- Hiện tại và tương lai: Ngày nay, mạng cảm biến không dây đang pháttriển với tốc độ nhanh chóng, với sự tiến bộ trong các công nghệ khôngdây, vi xử lý nhúng, và phần mềm Các ứng dụng của mạng cảm biếnkhông dây đang mở ra nhiều cơ hội mới trong nhiều lĩnh vực, từ giám sátmôi trường đến các ứng dụng thông minh và tự động hóa trong côngnghiệp và đô thị.

Mạng cảm biến không dây là một loại mạng không dây được tạo ra bằngcách kết hợp các cảm biến không dây và các nút mạng không dây để thu thập dữliệu từ môi trường vật lý và truyền dữ liệu đến các điểm cuối khác nhau Các cảmbiến trong mạng này có thể thu thập dữ liệu về nhiều thông số khác nhau như nhiệt

độ, độ ẩm, ánh sáng, độ rung, độ ồn, áp suất và nhiều yếu tố khác Mô hình kiếntrúc mạng cảm biến bao gồm các thành phần:

- Trường cảm biến: bao gồm các cảm biến

- Thiết bị thu phát (Sink hoặc trạm gốc BS)

- Mạng truyền thông: có thể là Internet, vệ tinh, mạng di động…

- Người dùng: quản lý các tác vụ

Hình 1.1 Mô hình cơ bản của mạng cảm biến không dây

Trong những năm trở lại đây, công nghệ truyền thông đã có những bước pháttriển lớn đối với truyền thông không dây điển hình như mạng cảm biến không dây.Mạng cảm biến không dây bao gồm một số lượng lớn các thiết bị cảm biến có kích

cỡ nhỏ được gọi là các nút cảm biến, tiêu thụ công suất thấp với khả năng cảm biếncác yếu tố từ môi trường xung quanh (như nhiệt độ, độ ẩm ), có khả năng tính toán

và liên lạc không dây (vô tuyến, hồng ngoại, quang học ) và có thể hoạt động màkhông cần sự can thiệp của con người Các nút cảm biến trong mạng cảm biếnkhông dây có thể được triển khai một cách ngẫu nhiên hay được chỉ định sẵn trongmột khu vực cụ thể hoặc cũng có thể di động để có thể thu thập được thông tin chấtlượng cao về môi trường xung quanh thông qua giao tiếp không dây Bản chất củathông tin được thu thập phụ thuộc vào ứng dụng mà mạng cảm biến không dâyđược sử dụng Dữ liệu được thu thập sau đó sẽ được chuyển tới trạm gốc (BaseStation - BS) hay thiết bị thu phát (sink) như hình 1.1 để phân tích, lưu trữ và xử lý

dữ liệu Mạng cảm biến không dây hiện nay đã và đang đóng vai trò quan trọngtrong cơ sở hạ tầng của các giải pháp IoT (Internet of Things) và các ứng dụng của

nó đã và đang được áp dụng cho rất nhiều các lĩnh vực như: quân sự, y tế, nôngnghiệp, môi trường nhờ vào việc mạng cảm biến không dây có thể được triểnkhai ở mọi môi trường thậm chí cả ở những môi trường khó khăn, khắc nghiệt nhất.Mạng cảm biến không dây liên tục được phát triển và áp dụng vào những ứng dụngmới phù hợp với sự phát triển của các thiết bị cảm biến

Hình 1.2 Mô hình của mạng cảm biến không dây phân cụm

Đối với mạng cảm biến không dây có kích thước lớn (số lượng nút cảm biếnlớn), có thể sử dụng các công nghệ như phân cụm, định tuyến nhằm tối ưu hóa nănglượng của mạng cảm biến không dây (hình 1.2) Có thể nói trong WSN thì nút cảmbiến là thành phần rất quan trọng nó bao gồm: bộ cảm biến, bộ lưu trữ và xử lý, bộthu phát, bộ nguồn…như hình 1.3 Trong đó các bộ cảm biến có thể có nhiều loại đểphục vụ nhiều mục đích và ứng dụng khác nhau như: cảm biến nhiệt, cảm biến vịtrí, cảm biến quang, cảm biến rung… [3]

Hình 1.3 Cấu tạo của nút cảm biến

Mạng cảm biến không dây và Internet of Things (IoT) có một mối quan hệmật thiết và tương tác chặt chẽ với nhau Mạng cảm biến không dây thường là mộtphần của hệ thống IoT IoT có thể tích hợp nhiều loại cảm biến không dây khácnhau và mở rộng qua nhiều môi trường và ứng dụng khác nhau Mạng cảm biếnkhông dây sử dụng các cảm biến không dây để thu thập dữ liệu từ môi trường vật lý

và truyền nó thông qua mạng không dây đến các thiết bị IoT hoặc hệ thống quản lý

dữ liệu Dữ liệu này sau đó được sử dụng để tạo ra thông tin có ý nghĩa và thực hiệncác hành động cụ thể Ví dụ, thông qua dữ liệu từ các cảm biến nhiệt độ không dây,một hệ thống IoT có thể tự động điều chỉnh hệ thống điều hòa không khí để duy trìmột mức độ thoải mái cho môi trường Sự tích hợp của mạng cảm biến không dây

và IoT tạo ra một hệ thống linh hoạt, mở rộng và tiết kiệm năng lượng, có thể ápdụng trong nhiều lĩnh vực từ nhà thông minh, công nghiệp, y tế, nông nghiệp đến

các ứng dụng khác Điều này giúp cải thiện hiệu suất thu thập và quản lý dữ liệu từmôi trường vật lý một cách hiệu quả và thông minh

Hình 1.4 Mạng cảm biến không dây và IoT

1.1.2 Ứng dụng của mạng cảm biến cảm biến không dây

Với sự phát triển nhanh chóng của mạng cảm biến không dây hiện nay, cácứng dụng của chúng trải khắp các lĩnh vực như quân sự, công nghiệp, nông nghiệp(trồng trọt, chăn nuôi…), cứu trợ thiên tai, tòa nhà thông minh, chăm sóc y tế, giaothông [2]

 Ứng dụng trong quân sự

Một trong những lợi ích tuyệt vời nhất của mạng cảm biến nói chung vàmạng cảm biến không dây nói riêng là để thay thể cho các binh sĩ, chiến binh quânđội khỏi sự nguy hiểm [6] Ngoài ra, các mạng cảm biến không dây còn cho chứcnăng do tìm mìn, khảo sát chiến trường với sự tấn công bằng hóa học, sinh học, vũkhí hạt nhân hoặc các thiết bị có cảm biến từ trường, rada băng thông cực đại vàmicro âm thanh Các mạng cảm biến không dây được sử dụng để định vị và xácđịnh mục tiêu tấn công của lực lượng địch và xe không người lái

Hình 1.5 Ứng dụng trong quân sự

Cũng như nhiều công nghệ thông tin khác, mạng cảm biến không dây cónguồn gốc chủ yếu trong các nghiên cứu có liên quan đến quân sự Các mạng cảmbiến không giám sát được hình dung là thành phần chính trong việc tiến tới các hệthống chiến tranh tập trung vào mạng Chúng có thể nhanh chóng được triển khai đểgiám sát và được sử dụng để cung cấp thông tin tình báo chiến trường về vị trí, sốlượng, di chuyển và danh tính của quân đội, phương tiện và để phát hiện vũ khí hóahọc, sinh học và hạt nhân

Một số ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực quân sự:

- Giám sát và phân tích chiến trường: Mạng cảm biến không dây được sửdụng để thu thập dữ liệu từ môi trường chiến trường, bao gồm thông tin

về địa hình, thời tiết, tình trạng quân địch và các hoạt động quân sự Dữliệu này có thể được sử dụng để tạo ra bản đồ chiến trường và phân tíchtình hình chiến sự, giúp tăng cường hiểu biết và quản lý chiến trường

- Giám sát biên giới và an ninh quốc gia: Mạng cảm biến không dây có thểđược triển khai để giám sát biên giới quốc gia và phát hiện các hoạt độngbất thường hoặc nguy cơ an ninh Các cảm biến có thể phát hiện chuyểnđộng, âm thanh, và các tín hiệu khác từ các hoạt động bất thường, cungcấp cảnh báo và thông tin cho lực lượng quân sự hoặc lực lượng an ninh

- Giám sát và quản lý tài nguyên chiến lược: Mạng cảm biến không dây cóthể được sử dụng để giám sát và quản lý các tài nguyên chiến lược nhưnăng lượng, nước, và nguồn lực chiến lược khác Các cảm biến có thể thuthập dữ liệu về tiêu thụ năng lượng, nguồn nước, và các tài nguyên quantrọng khác để đảm bảo sự bảo đảm và hiệu quả trong việc sử dụng tàinguyên

- Phát hiện và ngăn chặn mối đe dọa: Mạng cảm biến không dây có thểđược sử dụng để phát hiện và ngăn chặn các mối đe dọa như bom, vũ khíhóa học hoặc sinh học, hoặc các hoạt động khủng bố khác Các cảm biến

có thể phát hiện các tín hiệu hoặc dấu vết của các hoạt động đe dọa vàcung cấp cảnh báo cho lực lượng quân sự hoặc lực lượng an ninh

- Hỗ trợ thực chiến và quyết định tái lập: Mạng cảm biến không dây có thểcung cấp thông tin thời gian thực và cập nhật về tình hình chiến trường,giúp lực lượng quân sự ra quyết định nhanh chóng và hiệu quả trong cáctình huống thực chiến

 Ứng dụng trong công nghiệp

Để tránh rủi ro, nguy hiểm liên quan đến con người trong các nhà máy côngnghiệp thì mạng cảm biến không dây sử dụng các nút cảm biến để phát hiện rò rỉ vềhóa chất, vật liệu độc hại, cháy nổ, các tác nhân sinh học nhằm cung cấp cho các bộphận liên quan giải quyết kịp thời

Trong lĩnh vực quản lý kinh doanh hàng hóa, để lưu trữ, bảo quan và tránhthất thoát hàng hóa là điều vô cùng cần thiết Vì vậy, các kiện hàng sẽ được gắn cácnút cảm biến Khi kiểm tra hàng hóa, người phụ trách sẽ gửi yêu cầu đến kho lưutrữ, các thông tin về các kiện hàng sẽ được tất cả kiện hàng trả lời Ngoài ra, các nútcảm biến còn dùng để đo nhiệt độ, độ ẩm hoặc dùng để chống trộm như nếu có kiệnhàng nào bị dịch chuyển thì cảm biến sẽ hoạt động và phát tín hiệu cảnh báo Tương

tự như vậy, trong việc quản lý container ở cảng Mỗi container cũng được gắn nútcảm biến Do đó, việc kiểm soát container cũng dễ dàng hơn vì bản thân các

container có thể ghi nhớ thông tin của nó một cách chính xác và những thông tinnày được lưu trong cơ sở dữ liệu nên dễ dàng truy vần, truy xuất khi cần.

Hình 1.6 Ứng dụng trong công nghiệp

 Ứng dụng trong nông nghiệp

Mạng cảm biến không dây có nhiều ứng dụng hữu ích trong lĩnh vực nôngnghiệp, giúp nâng cao hiệu suất sản xuất, quản lý tài nguyên và tối ưu hóa các quytrình Một số ứng dụng phổ biến của mạng cảm biến không dây trong nông nghiệp:

- Phục vụ trong sản xuất nông nghiệp: mạng cảm biến không dây giúpnông dân giám sát nhiệt độ, không khí, độ ẩm, ánh sáng, độ ẩm đất, hàm

lượng PH… nhằm đưa ra các phân tích để nông dân có thể đưa ra quyếtđịnh.

- Ứng dụng trong trồng trọt

- Ứng dụng trong chăn nuôi

Hình 1.7 Ứng dụng trong nông nghiệp

 Ứng dụng trong cứu trợ thiên tai như:

- Ứng dụng giám sát môi trường

- Ứng dụng tránh thảm họa cháy rừng

- Ứng dụng cảnh báo lũ lụt

- Ứng dụng cảnh báo động đất

1.2 Ưu nhược điểm của mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây là một xu hướng công nghệ quan trọng, WSN đãđóng góp đáng kể trong việc giám sát và quản lý môi trường vật lý, cung cấp thôngtin chính xác và chi phí hiệu quả cho nhiều ứng dụng khác nhau và vào sự phát triểnkinh tế và xã hội, giúp cải thiện chất lượng cuộc sống của con người và đáp ứng cácnhu cầu của xã hội ngày càng cao và đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể bao gồm:

- Giám sát liên tục: WSN cho phép giám sát môi trường và các sự kiện trongthời gian thực, cung cấp thông tin liên tục và chi tiết về tình trạng của môitrường vật lý

- Tiết kiệm chi phí: So với các phương pháp giám sát truyền thống, WSNthường có chi phí triển khai và vận hành thấp hơn, đồng thời giúp tiết kiệmnhiều chi phí hơn trong dài hạn

- Tự động hóa và tính tự động: WSN có khả năng tự động hóa nhiều tác vụ, từviệc thu thập dữ liệu đến việc phân tích và phản ứng với các sự kiện trongmôi trường

- Dễ dàng mở rộng và tích hợp: Mạng cảm biến không dây có thể dễ dàng mởrộng để bao phủ các khu vực rộng lớn hơn và tích hợp với các hệ thống khácnhư hệ thống IoT, hệ thống quản lý dữ liệu, và các hệ thống thông tin khác

- Tiết kiệm năng lượng: Các cảm biến trong WSN thường được thiết kế để tiếtkiệm năng lượng và hoạt động trong thời gian dài mà không cần thay pinthường xuyên

- Đa dạng ứng dụng: WSN có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhaunhư giám sát môi trường, y tế, nông nghiệp, công nghiệp, an ninh và nhiềulĩnh vực khác

- Cung cấp thông tin tương tác và thời gian thực: Dữ liệu được thu thập từWSN thường được cập nhật và truyền tải trong thời gian thực, cung cấp thôngtin có ý nghĩa và hữu ích cho quản lý và ra quyết định

Mặc dù WSN đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể, nhưng vẫn còn tồn tạimột số vấn đề cần được giải quyết để đảm bảo sự phát triển bền vững của côngnghệ này và đem lại lợi ích cho xã hội bao gồm:

- Tiêu thụ năng lượng: Đây là vấn đề quan trọng nhất của WSN bởi vì nó liênquan đến thời gian sống của mạng, hiệu suất sử dụng mạng Các thiết bịtrong mạng cảm biến không dây thường có nguồn năng lượng hạn chế từ pinhoặc pin mặt trời Việc quản lý và tiết kiệm năng lượng trở thành một tháchthức, đặc biệt khi cần hoạt động liên tục trong thời gian dài

- Quản lý dữ liệu: Số lượng dữ liệu thu thập từ các cảm biến có thể rất lớn, vàviệc quản lý, xử lý và truyền dữ liệu trở thành một vấn đề Cần có các giảipháp hiệu quả để lưu trữ, xử lý và truyền dữ liệu một cách hiệu quả và bảomật

- Độ phức tạp và chi phí triển khai: Triển khai mạng cảm biến không dây có thểđòi hỏi nhiều công sức và chi phí, đặc biệt khi cần phải xử lý các vấn đề nhưphân phối cảm biến, cài đặt hạ tầng mạng, và bảo trì hệ thống

- Bảo mật và Quyền riêng tư: Dữ liệu thu thập từ các cảm biến có thể chứathông tin nhạy cảm, và việc bảo vệ dữ liệu khỏi sự xâm nhập và truy cập tráiphép trở thành một vấn đề quan trọng Bảo mật và quyền riêng tư cần đượccoi trọng trong quá trình thiết kế và triển khai của mạng cảm biến không dây

- Độ trễ và độ tin cậy: Các vấn đề về độ trễ trong việc truyền dữ liệu và độ tincậy của các cảm biến có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống Điều nàyđặc biệt quan trọng trong các ứng dụng y tế hoặc an ninh cần độ chính xác vàđáng tin cậy cao

- Quản lý tương tác và tổ hợp: Mạng cảm biến không dây thường cần phảitương tác với các mạng khác như mạng Internet hoặc mạng di động Việcquản lý tương tác và tổ hợp giữa các mạng trở thành một thách thức, đặc biệtkhi cần đảm bảo tính liên tục và đồng bộ của dữ liệu

Tóm lại, mặc dù mang lại nhiều lợi ích, nhưng mạng cảm biến không dây cũng đốimặt với nhiều thách thức và vấn đề cần được giải quyết để tối ưu hóa hiệu suất và

độ tin cậy của hệ thống

Để khắc phục những nhược điểm hay hạn chế của mạng cảm biến không dây,

có một số phương pháp hay công nghệ như:

- Tiết kiệm năng lượng: Sử dụng các kỹ thuật tiết kiệm năng lượng như “sleepmode” cho các nút cảm biến để kéo dài tuổi thọ pin Sử dụng các công nghệtiên tiến như kỹ thuật điều tiết năng lượng thông minh để điều chỉnh nănglượng tiêu thụ theo nhu cầu thực tế

- Quản lý mạng hiệu quả: Triển khai các thuật toán định tuyến thông minh đểtối ưu hóa đường truyền và giảm thiểu sự mất mát dữ liệu Sử dụng kỹ thuậtđịnh thời để đồng bộ hóa hoạt động của các nút cảm biến và tránh xung đột

- Tăng cường bảo mật: Sử dụng các giao thức bảo mật mạnh mẽ như AES(Advanced Encryption Standard) để bảo vệ dữ liệu truyền qua mạng Triểnkhai các biện pháp bảo mật như xác thực hai yếu tố và quản lý khóa để ngănchặn các cuộc tấn công

Trong đề án này chủ yếu tập trung vào việc khắc phục nhược điểm hay hạn chế củaWSN bằng phương pháp sử dụng những thuật toán định tuyến hiệu quả

1.3 Các kiểu mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây có nhiều các phân loại, tuy nhiên có một cáchphân loại phổ biến đó là: mạng cảm biến không dây có cấu trúc phẳng và mạng cảmbiến không dây có cấu trúc phân tầng

1.3.1 Cấu trúc phẳng

Hình 1.8 Mô hình cấu trúc phẳng của WSN

Trong cấu trúc phẳng, mọi nút đều có cùng một vị trí và chức năng, không có

sự phân biệt Các nút có thể trực tiếp giao tiếp với trung tâm xử lý hoặc thông quacác nút trung gian để tạo thành một mạng lưới kết nối Trong phạm vi truyền dẫn cốđịnh, các nút gần trung tâm xử lý sẽ đảm nhận vai trò quan trọng hơn trong việc

truyền tải dữ liệu, trong khi các nút xa hơn có thể phụ trách việc tạo thành bộ tiếpsóng cho số lượng lớn nguồn Giả sử rằng tất cả các nguồn sử dụng cùng một tần số

để truyền dữ liệu, điều này cho phép chia sẻ thời gian giữa các nguồn Tuy nhiên, hệthống chỉ hoạt động hiệu quả khi chỉ có một nguồn duy nhất được chia sẻ, như thờigian hoặc tần số Ưu điểm của cấu trúc này là sự đơn giản và dễ dàng triển khai,linh hoạt và có khả năng mở rộng Tuy nhiên, các hạn chế bao gồm chi phí triểnkhai lớn, vấn đề định tuyến phức tạp, sự phân tán của các nút gây khó khăn trongviệc quản lý toàn cầu và tiêu thụ năng lượng không đồng đều

1.3.2 Cấu trúc phân tầng

Hình 1.9 Sự phân chia cụm trong WSN

Để khắc phục nhược điểm của cấu trúc phẳng thì cấu trúc phân tầng được rađời Mạng cảm biến được chia thành các vùng được gọi là cụm (mô tả hình 1.9), cácnút trong cụm truyền dữ liệu đơn chặng hoặc đa chặng đến chủ cụm (ClusterHeader-CH) Các chủ cụm truyền đơn hoặc đa chặng đến trạm thu phát (điểm xử lýtrung tâm) Trong cấu trúc này, hệ thống sẽ phân chia các nút trong mạng thành cáccấp bậc, cấp bậc thấp nhất thực hiện nhiệm vụ cảm nhận, cấp trung gian thực hiệntính toán và cấp cao nhất thực hiện chức năng phân phối dữ liệu (hình 1.10)

Các nút cảm biến trong cụm gửi dữ liệu đơn chặng hay đa chặng (tùy thuộcvào kích cỡ của cụm) đến một nút định sẵn trong cụm, thường gọi là chủ cụm Sau

đó các chủ cụm sẽ gửi đơn chặng hoặc đa chặng dữ liệu tập trung được đến nút xử

lý tập trung Trong cấu trúc này, các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đómỗi nút ở một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn Trong cấu trúcphẳng thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu không đều giữa cácnút

Hình 1.10 Sự phân theo chức năng trong WSN

Mạng cảm biến không dây xây dựng theo cấu trúc phân tầng hoạt động hiệuquả hơn cấu trúc phẳng do các lý do sau:

- Cấu trúc phân tầng có thể giảm chi phí mạng cảm biến bằng việc định vị cáctài nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động hiệu quả nhất

- Mạng cấu trúc phân tầng sẽ có tuổi thọ cao hơn cấu trúc phằng Khi cần phảitính toán nhiều thì một bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thờigian yêu cầu thực hiện tính toán Tuy nhiên, với các nhiệm vụ cảm nhận cầnhoạt động trong thời gian dài, các nút tiêu thụ ít năng lượng phù hợp với yêucầu xử lý lý tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn, Do vậy, với cấu trúc phântầng mà các chức năng mạng phân chia giữa các phần cứng được thiết kếriêng cho từng chức năng sẽ làm tăng tuổi thọ của mạng

Tuy nhiên, với kiến trúc phân tầng này, mạng cảm biến không dây sẽ phảiđối mặt với vần đề chọn chủ cụm và định tuyến gói tin sao cho hiệu quả.

1.4 Định tuyến và phân cụm trong WSN

1.4.1 Vấn đề định tuyến trong WSN

Trong mạng cảm biến không dây (WSN), định tuyến (routing) là quá trìnhxác định và chọn lựa các đường dẫn dữ liệu từ các nút cảm biến đến trạm cơ sở(base station) hoặc các điểm mục tiêu khác trong mạng [1] Định tuyến đóng vai tròquan trọng trong việc đảm bảo dữ liệu được truyền đạt một cách hiệu quả, đáng tincậy và tiết kiệm năng lượng Các thuật toán định tuyến trong WSN thường cần xử

lý một số vấn đề sau:

- Tiết kiệm năng lượng: Một trong những mục tiêu quan trọng của định tuyếntrong WSN là tiết kiệm năng lượng Việc chọn các đường dẫn ngắn và hiệuquả giúp giảm thiểu tiêu thụ năng lượng của các nút cảm biến, kéo dài tuổithọ của pin và giảm chi phí bảo trì

- Độ trễ và độ tin cậy: Đối với các ứng dụng yêu cầu thời gian thực, độ trễtrong việc truyền dẫn dữ liệu cần được giảm thiểu Đồng thời, việc đảm bảo

độ tin cậy của đường dẫn là một yếu tố quan trọng trong việc chọn lựa thuậttoán định tuyến

- Điều chỉnh động và tính linh hoạt: Các mạng cảm biến thường phải thíchnghi với các thay đổi trong môi trường, như sự di chuyển của các nút hoặc sự

cố xảy ra Do đó, thuật toán định tuyến cần có tính linh hoạt để điều chỉnh vàtái cấu trúc đường dẫn khi cần thiết

- Độ phân tán: Mạng cảm biến thường có cấu trúc phân tán, với nhiều nút cảmbiến được triển khai trên một khu vực rộng lớn Do đó, việc chọn lựa đườngdẫn phải xem xét các yếu tố như sự cận kề với các nút hàng xóm, cân bằng tải

và sự phân tán của dữ liệu

Các thuật toán định tuyến trong WSN có thể được phân loại thành các loạikhác nhau như định tuyến phân cụm (cluster-based routing), định tuyến có cấu trúc

(hierarchical routing), định tuyến dựa trên vị trí (geographic routing) và nhiều hơnnữa Mỗi loại định tuyến có ưu điểm, nhược điểm riêng và việc lựa chọn thuật toánđịnh tuyến phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng và điều kiện mạng.

1.4.2 Vấn đề phân cụm trong WSN

Trong mạng cảm biến không dây WSN, phân cụm (clustering) là mộtphương pháp quản lý mạng bằng cách chia các nút cảm biến thành các nhóm nhỏgọi là cụm Mỗi cụm thường bao gồm một số lượng các nút cảm biến được tổ chứcmột cách logic và chức năng Một trong những nút trong cụm thường được chọn

làm nút chủ (cluster head) để điều phối và quản lý các hoạt động trong cụm Mối

quan hệ giữa định tuyến và phân cụm trong WSN:

- Trong nhiều trường hợp, các thuật toán định tuyến trong WSN thường đượcthiết kế để hoạt động phối hợp với các thuật toán phân cụm

- Phân cụm giúp giảm độ phức tạp của việc định tuyến bằng cách giảm sốlượng nút cảm biến cần xử lý trong mỗi bước định tuyến

- Ngoài ra, các nút chủ trong mỗi cụm thường là các điểm giao thức định tuyến,giúp điều phối dữ liệu từ các nút cảm biến trong cụm đến trạm cơ sở hoặcđiểm cuối khác trong mạng

CHƯƠNG 2 – GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG

CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2.1 Giới thiệu chung

Mạng cảm biến không dây (WSN) đang đóng vai trò quan trọng trong cơ sở

hạ tầng mạng truyền thông IoT hiện nay và được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiềulĩnh vực như: quân sự, y tế, nông nghiệp, môi trường Mạng cảm biến không dây

có khả năng thu thập thông tin, dữ liệu từ môi trường sau đó gửi đến trung tâm để

xử lý dữ liệu Phần lớn các mô hình mạng các nút cảm biến đều gặp phải vấn đề vềnăng lượng do các nút cảm biến thường có nguồn năng lượng hạn chế cũng như cácvấn đề về truyền dẫn Vì những ứng dụng quan trọng của mạng cảm biến không dây

mà việc cải thiện hiệu năng của mạng luôn là những vấn đề quan trọng và là ưu tiênhàng đầu của các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới Do đó cần phải hiểu rõ cácthách thức, hạn chế của mạng cảm biến không dây để có thể thiết kế được nhữnggiao thức, thuật toán tối đa được hiệu năng của mạng cảm biến không dây

Để có thể tối đa được hiệu năng và thời gian hoạt động của mạng ta cần phảithiết kế các giao thức hoặc các thuật toán phù hợp Một trong những cách hiệu quả

để tối ưu hóa hiệu năng hệ thống đó là sử dụng định tuyến hay những thuật toánđịnh tuyến hiệu quả Rất nhiều các nghiên cứu đã được thực hiện với mục đích cảithiện hiệu năng của mạng cảm biến không dây và trong đó cải thiện và kéo dài tuổithọ của mạng là một trong những giải pháp hiệu quả nhất thông qua các kĩ thuậtkhác nhau như cân bằng tải, phân cụm, định tuyến … tuổi thọ của mạng đã được cảithiện đáng kể

2.2 Một số tham số sử dụng trong WSN

Để tối ưu hóa các thuật toán hay giao thức thì cần phải biết được những tham

số quan trọng trong mạng cảm biến không dây Trong phần này những phân tíchđánh giá được nêu ra trong quá trình phát triển một mạng cảm biến Những tham sốdùng để đánh giá hiệu năng sử dụng trong mạng cảm biến và gồm các tham số:

- Năng lượng nút cảm biến

- Mật độ nút mạng

- Thời gian sống của mạng

- Số bước nhảy

- Chi phí

2.2.1 Năng lượng nút cảm biến

Năng lượng của một nút cảm biến là một tham số quan trọng trong mạngcảm biến không dây Một nút cảm biến được coi là "chết" khi nút tiêu thụ hết nănglượng của nó Thời gian sống của một nút được xác định thông qua việc tính mứcnăng lượng của nút sau mỗi một vòng truyền nhận dữ liệu Tham số này ảnh hưởngtrực tiếp tới thời gian sống và hiệu năng của mạng cảm biến không dây Mức năng

lượng ban đầu của nút cảm biến được gọi là năng lượng khởi tạo E Initial Mức năng

lượng của nút cảm biến sau mỗi vòng được gọi là năng lượng dư E Re và sẽ tiêu haosau mỗi vòng theo mô hình tiêu hao năng lượng Năng lượng dư hay năng lượngcòn lại của nút được tính theo công thức (2.1)

Khi r = 0, tương ứng với trạng thái ban đầu của nút thì E Re = E Initial và R là số

vòng truyền nhận cuối cùng, tương ứng với lúc mạng ngừng hoạt động Từ phương

trình (2.4), ta có thể thấy khi R → ∞, tức là mạng càng hoạt động lâu thì năng lượng

dư càng giảm cho đến khi E Re = 0 (J) tức là nút cảm biến đã cạn kiệt năng lượng và

không thể hoạt động được cùng mạng cảm biến không dây nữa Vì vậy, năng lượngcủa nút cảm biến là một trong những tham số quan trọng nhất để mạng cảm biến cóthể duy trì hoạt động lâu dài Tham số này cũng là một trong những tham số đượcquan tâm và sử dụng trong hầu hết các giao thức, thuật toán nhằm mục đích cânbằng năng lượng trong mỗi vòng truyền nhận dữ liệu

2.2.2 Mật độ nút mạng

Khi triển khai mạng cảm biến không dây, mật độ nút cảm biến được sử dụngcũng là một tham số cần được quan tâm Tham số này sẽ ảnh hưởng tới sự phân bốcủa các nút mạng trong môi trường cảm biến là dày đặc hay thưa thớt, do đó sẽ ảnhhưởng tới dữ liệu cảm biến thu thập được nếu mật độ quá thấp mạng sẽ không thuthập được đầy đủ thông tin từ môi trường, nếu mật độ quá cao dữ liệu cảm biến giữacác nút cảm biến có thể bị trùng nhau và cần phải xử lý thêm; ngoài ra mật độ cũngảnh hưởng tới khả năng truyền thông giữa các nút mạng, quá thấp sẽ tốn năng lượng

để truyền thông, quá cao thì sẽ có quá nhiều bản tin quảng bá tranh chấp với nhau.Tham số về mật độ được thể hiện qua công thức 2.2

n S

Trong đó ρ được coi là mật độ nút (nút/m 2 ), n là số nút trên một đơn vị diện tích S.

2.2.3 Thời gian sống của mạng

Đã có rất nhiều các nghiên cứu được thực hiện để nâng cao hiệu năng củamạng cảm biến không dây và một trong những cách tiếp cận là cải thiện thời giansống - thời gian hoạt động của mạng Mục đích chính của một số các giao thức haythuật toán là thực hiện tiêu thụ cân bằng và hiệu quả nguồn năng lượng ít ỏi của nútcảm biến và từ đó kéo dài được thời gian sống của mạng, giúp mạng hoạt động hiệuquả đầy đủ các chức năng Tham số thời gian sống của mạng được sử dụng để đánhgiá hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến không dây Có thể địnhnghĩa thời gian sống của mạng là khoảng thời gian tối đa mà mạng vẫn hoạt độngvới đủ khả năng thực hiện những tác vụ được giao Tuổi thọ mạng hay thời giansống của mạng được tính theo nhiều cách

- Thời gian tính đến nút đầu tiên bị lỗi

- ½ tuổi thọ của mạng (50% nút bị chết)

- Toàn bộ mạng bị chết (100% nút bị chết)

- Thời gian đến khi phân chia: khi mạng bị chia thành hai phần không nối vớinhau

- Thời gian đến khi mất vùng phủ: một vị trí trong mạng không còn nằm trongvùng quan sát của nhiều nút khác

- Thời gian đến khi lỗi thông báo sự kiện đầu tiên

2.2.4 Số bước nhảy

Số bước nhảy được định nghĩa là số lần một gói tin được chuyển tiếp từ nútnguồn tới nút đích Tham số này thường được sử dụng để đánh giá hiệu năng củamạng cảm biến không dây Nếu giảm số bước nhảy có thể giảm được tiêu hao nănglượng nhờ đó cải thiện được thời gian sống của mạng do giảm thiểu số lần chuyểntiếp dữ liệu của nút tuy nhiên lại có thể gây ra vấn đề "điểm nóng" do nhiều nút trênmạng sẽ chịu tải lớn hơn Vì vậy việc sử dụng số bước nhảy hợp lý trong các giaothức, thuật toán là rất quan trọng trong việc cân bằng tải cho các nút cảm biến trongmạng cảm biến không dây

2.2.5 Chi phí

Hình 2.1 Phân bố của nút cảm biến

Chi phí hay được gọi là giá hoặc chi phí giữa các nút mạng hoặc từ nút cảmbiến tới nút gốc Trong hầu hết các mô hình mạng đặc biệt là mô hình đa bước

(MM) chi phí luôn là một tham số quan trọng mà các nhà thiết kế để ý tới trong việcthiết kế phân bố các nút mạng và thường được sử dụng thông qua tham số khoảngcách giữa các nút mạng Tham số này phản ánh thực tế chi phí về năng lượng mànút mạng tiêu tốn khi mỗi lần định tuyến.

Với mạng cảm biến không dây như trong hình 2.1 ta có thể thấy chi phí giữa

hai nút bất kỳ SN i và SN j được tính bởi công thức 2.3 áp dụng công thức tínhkhoảng cách Euclid

Cost(S N i , S N j)=√ (x SN i−x SN j)2+(y SN i−y SN j)2 (2.3)

Và cost giữa SN 1 và BS thông qua nút SN 2 được tính bởi công thức 2.4

Cost(S N1, BS)=√ (x SN1−x SN2)2+(y SN1−y SN2)2+√ (x SN2−x BS)2+(y SN2−y BS)2 (2.4)

2.3 Mô hình tiêu thụ năng lượng trong WSN

Trong mạng cảm biến không dây, tiêu thụ năng lượng là một trong nhữngyếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ của mạng [5] Mô hìnhtiêu thụ năng lượng trong mạng cảm biến thường bao gồm các thành phần sau:

- Truyền dẫn: Tiêu thụ năng lượng trong quá trình truyền dẫn là một phần quantrọng của mô hình Các nút cảm biến phải tiêu tốn năng lượng để truyền dữliệu đến các nút khác trong mạng Khoảng cách truyền dẫn, công suất phát, vàđiều kiện môi trường đều ảnh hưởng đến lượng năng lượng tiêu thụ trong quátrình truyền dẫn

- Nhận dữ liệu: Tiêu thụ năng lượng cũng xảy ra khi các nút cảm biến nhận dữliệu từ các nút khác Quá trình này cũng đòi hỏi một lượng năng lượng đáng

kể, đặc biệt là trong các mạng có lưu lượng dữ liệu lớn

- Xử lý dữ liệu: Các nút cảm biến thường phải xử lý dữ liệu thu thập đượctrước khi truyền đi hoặc lưu trữ lại Quá trình xử lý này cũng đòi hỏi mộtlượng năng lượng không nhỏ, đặc biệt là đối với các thuật toán phức tạp hoặccác tác vụ tính toán nặng

- Ngủ và thức dậy: Để tiết kiệm năng lượng, các nút cảm biến thường chuyểnsang chế độ ngủ khi không hoạt động Tuy nhiên, việc thức dậy cũng tiêu tốn

một lượng năng lượng nhất định, và quá trình này cần được quản lý một cáchhiệu quả để đảm bảo hiệu suất và tuổi thọ của mạng

- Giao tiếp với nút chủ: Trong một số mô hình mạng, các nút cảm biến phải gửi

dữ liệu đến các nút chủ để xử lý hoặc lưu trữ Quá trình giao tiếp này cũng làmột nguồn tiêu tốn năng lượng đáng kể

Tuy nhiên, trong các yếu tố của mô hình tiêu thụ năng lượng trong mạng cảm biếnkhông dây thì việc truyền nhận dữ liệu ảnh hưởng nhiều nhất đến việc tiêu thụ nănglượng, trong phần này chủ yếu xét đến việc truyền dẫn ở không gian tự do

Để tối ưu hóa thời gian hoạt động và hiệu suất của mạng cảm biến khôngdây, cần tối ưu hóa việc tiêu thụ năng lượng tại mỗi nút cảm biến trong mạng Do

đó, việc nghiên cứu mô hình tiêu hao năng lượng của các nút cảm biến là rất quantrọng, vì yếu tố này ảnh hưởng lớn đến tổng tiêu hao năng lượng trong quá trìnhtruy cập và truyền nhận dữ liệu Các nghiên cứu sẽ sử dụng mô hình tiêu hao nănglượng này để phát triển các giao thức và thuật toán giúp tối ưu hóa tiêu thụ nănglượng

Hình 2.2 Mô hình truyền thông đa bước

Trong mạng cảm biến không dây, việc sử dụng mô hình mạng đơn bướchoặc đa bước có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của mạng Nếu mạng có quy mô nhỏ,