Thuật toán phân cụm mờ và giao thức định tuyến SEP trong mạng cảm biến không dây (LV thạc sĩ)

Thuật toán phân cụm mờ và giao thức định tuyến SEP trong mạng cảm biến không dây (LV thạc sĩ)Thuật toán phân cụm mờ và giao thức định tuyến SEP trong mạng cảm biến không dây (LV thạc sĩ)Thuật toán phân cụm mờ và giao thức định tuyến SEP trong mạng cảm biến không dây (LV thạc sĩ)Thuật toán phân cụm mờ và giao thức định tuyến SEP trong mạng cảm biến không dây (LV thạc sĩ)Thuật toán phân cụm mờ và giao thức định tuyến SEP trong mạng cảm biến không dây (LV thạc sĩ)Thuật toán phân cụm mờ và giao thức định tuyến SEP trong mạng cảm biến không dây (LV thạc sĩ)Thuật toán phân cụm mờ và giao thức định tuyến SEP trong mạng cảm biến không dây (LV thạc sĩ)Thuật toán phân cụm mờ và giao thức định tuyến SEP trong mạng cảm biến không dây (LV thạc sĩ)Thuật toán phân cụm mờ và giao thức định tuyến SEP trong mạng cảm biến không dây (LV thạc sĩ)Thuật toán phân cụm mờ và giao thức định tuyến SEP trong mạng cảm biến không dây (LV thạc sĩ)Thuật toán phân cụm mờ và giao thức định tuyến SEP trong mạng cảm biến không dây (LV thạc sĩ)Thuật toán phân cụm mờ và giao thức định tuyến SEP trong mạng cảm biến không dây (LV thạc sĩ)Thuật toán phân cụm mờ và giao thức định tuyến SEP trong mạng cảm biến không dây (LV thạc sĩ)Thuật toán phân cụm mờ và giao thức định tuyến SEP trong mạng cảm biến không dây (LV thạc sĩ)

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 15 tháng 8 năm 2017

Học viên thực hiện luận văn

Ngô Quang Quyền

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin gởi lời cảm ơn đến TS Vũ Ngọc Phàn, Viện Hàn Lâm Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam 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 Bưu chính Viễn Thông đã tận tình giảng dạy, trang bị cho tôi những kiến thức quý báu trong thời gian tôi học tại Học viện

Cảm ơn Ban Giám đốc Bệnh viện Nhi Đồng 2 đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành khóa học một cách tốt nhất Cảm ơn 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 Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 8 năm 2017

Học viên thực hiện luận văn

Ngô Quang Quyền

MỤC LỤC

Bản cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục ký hiệu v

Danh sách bảng vi

Danh sách hình vẽ vii

Mở đầu 1

CHƯƠNG I - TỒNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WIRELESS SENSOR NETWORK (WSN) 4

1.1 Giới thiệu về WSN 4

1.2 Ứng dụng của WSN 5

1.3 Cấu trúc mạng WSN 11

1.3.1 Cấu trúc một node trong mạng WSN 11

1.3.2 Cấu trúc mạng WSN 12

1.3.3 Giao thức định tuyến trong WSN 14

1.3.4 Kiến trúc và giao thức WSN 15

1.4 Các thách thức và trở ngại đối với WSN 17

1.4.1 Giới hạn về nguồn năng lượng 17

1.4.2 Giới hạn về phần cứng 18

1.4.3 Ảnh hưởng của môi trường 18

1.5 Kết luận 18

CHƯƠNG II - CÁC THUẬT TOÁN PHÂN CỤM MỜ VÀ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN SEP TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 20

2.1 Các kỹ thuật phân cụm và các thuật toán phân cụm mờ trong mạng cảm biến không dây 20

2.1.1 Giới thiệu chung 20

2.2.2 Cấu trúc mạng WSN có phân cụm 20

2.1.3 Phân loại các kỹ thuật phân cụm trong WSN 23

2.2 Các thuật toán phân cụm mờ trong WSN 25

2.2.1 Thuật toán FCM ( Fuzzy C-Means) 32

2.2.2 Thuật toán εFCM ( Insensitive Fuzzy C-Means)[7] 36

2.3 Tổng quan về giao thức định tuyến SEP 39

2.4 Kết luận 40

CHƯƠNG III - ĐỀ XUẤT GIAO THỨC SEP_εFCM MÔ PHỎNG

VÀ ĐÁNH GIÁ 41

3.1 Xây dựng mô hình mạng 41

3.2 Mô hình năng lượng 41

3.3 Thuật toán phân cụm εFCM trong WSN 42

3.4 Phân cụm định tuyến SEP trong WSN 44

3.5 Đề xuất kết hợp thuật toán εFCM vào trong giao thức định tuyến SEP 47

3.6 Kết quả thực nghiệm 49

3.6.1 Kết quả sau 1200 vòng chạy đầu tiên 50

3.6.2 Số node sống 51

3.6.3 Năng lượng còn lại 52

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

DANH MỤC KÝ HIỆU

FCM Insensitive Fuzzy C-Means Thuật toán Insensitive Fuzzy

C-Means HVAC Heating, ventilation and aircon

ditioning

Hệ thống nồi hơi, thông hơi

và điều hòa không khí PDA Personal Digital Assistant Thiết bị hỗ trợ kỹ thuật số cá

nhân SEP A Stable Election Protocol Giao thức định tuyến không

đồng nhất TDMA Time Division Multiple

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 2.1: Tọa độ các node 27

Bảng 2.2: Kết quả phân cụm K-Means 31

Bảng 3.1: Bảng tóm tắt giá trị các tham số trong luận văn 49

Bảng 3.2: Bảng mô tả các ký hiệu trong hình mô phỏng 50

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây 4

Hình 1.2: Các ứng dụng của WSN 6

Hình 1.3: Ứng dụng trong quân sự 7

Hình 1.4: Ứng dụng trong giám sát và điều khiển công nghiệp 8

Hình 1.5: Ứng dụng theo dõi cháy rừng 9

Hình 1.6: Ứng dụng trong y tế 10

Hình 1.7: Ứng dụng trong ngôi nhà thông minh 11

Hình 1.8: Các thành phần cơ bản của một node cảm biến 12

Hình 1.9: Cấu trúc mạng hình sao 13

Hình 1.10: Cấu trúc mạng dạng lưới 13

Hình 1.11: Cấu trúc mạng phân cụm hai tầng 14

Hình 1.12: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây 16

Hình 2.1: Cấu trúc phân cụm trong mạng cảm biến không dây 20

Hình 2.2: Lược đồ thuật toán K-Means 27

Hình 2.3: Tọa độ các node trên mặt phẳng 28

Hình 2.4: Thiết lập Centroid ban đầu 28

Hình 2.5: Thiết lập lại Centroid 29

Hình 2.6: Phân cụm lại dựa trên Centroid mới 30

Hình 3.1: Phân cụm bằng thuật toán εFCM 43

Hình 3.2: Xác định mức năng lượng tại mỗi node bằng giao thức SEP 46

Hình 3.3: Lược đồ chọn CH node trong giao thức SEP 47

Hình 3.4: Lược đồ các bước chạy của thuật toán SEP_ εFCM 48

Hình 3.5: Giao thức SEP sau 1200 vòng chạy 50

Hình 3.6: Giao thức kết hợp SEP_ εFCM sau 1200 vòng chạy 51

Hình 3.7: Alive Node 51

Hình 3.8: Năng lượng còn lại 52

MỞ ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển rất nhanh của khoa học kỹ thuật nói chung và ngành công nghệ thông tin nói riêng, thế giới chúng ta đang bước vào kỷ nguyên số với sự xuất hiện của điện thoại thông minh, nhà thông minh và thành phố thông minh,… dường như chúng ta đang chuẩn bị bước sang một cuộc đại cách mạng công nghiệp lần thứ 3 mang tên kỷ nguyên số Cùng với sự phát triển mạnh mẽ đó mạng cảm biến không dây Wireless Sensor Network – WSN [1] ra đời như là một thành tựu khoa học tất yếu nhằm phục vụ cho nhu cầu của con người trong xã hội hiện đại Mạng cảm biến không dây (WSN) ra đời giúp cho chúng ta không mất quá nhiều sức lực, nhân công, tránh sự nguy hiểm và chúng mang lại hiệu quả cao trong công việc Với sự tiến bộ về kỹ thuật vi điện tử, công nghệ nano, công nghệ mạch tích hợp,…đã thiết kế ra các cảm biến nhỏ gọn, giá thành rẻ và có khả năng triển khai một số lượng lớn các thiết bị, chính vì thế WSN đã được triển khai trong hàng loạt các lĩnh vực khác nhau như: Quốc phòng, dân sự, y tế, giáo dục, môi trường, nông nghiệp,… Với một số ứng dụng cụ thể như : theo dõi hành quân, điều quân của quân địch; Theo dõi khô hạn và cảnh báo cháy rừng; Đo độ ẩm để điều tiết nước tưới trong các trang trại nông nghiệp; Giám sát sức khỏe của bệnh nhân,… Tuy nhiên WSN cũng còn tồn tại nhiều mặt hạn chế, một trong những hạn chế lớn nhất đó là nguồn năng lượng của các node cảm biến (do kích thước nhỏ nên pin cũng được thiết kế nhỏ) Với việc nguồn năng lượng không thể thay đổi thì một bài toán đặt ra là chúng ta phải làm gì để kéo dài thời gian hoạt động của mạng WSN này ? Để giải quyết vấn đền này Ngoài việc cải tiến về phần cứng thì việc ứng dụng các thuật toán vào việc phân cụm các node cảm biến là một trong những kỹ thuật có thể mang lại hiệu quả cao trong việc giải quyết vấn đề năng lượng này Luận văn này sẽ nghiên cứu một số các thuật toán phân cụm và đề xuất thuật toán cải tiến nhằm mang lại hiệu cao trong việc phân cụm mạng WSN

Mạng cảm biến không dây (WSN) có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các node với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến trong đó các node mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp và có số lượng lớn, được phân bố một cách không có hệ thống trên một diện tích rộng với phạm vi hoạt động rộng, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế là pin, có thời gian hoạt động lâu dài vài tháng đến vài năm và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ ) Tất cả các cảm biến cảm nhận môi trường và truyền dữ liệu đến cụm đầu, mỗi cụm có một chủ cụm (Cluster Head - CH) sẽ giao tiếp với tất cả các node thành viên trong cụm CH sẽ truyền toàn bộ dữ liệu đến Sink

Như phân tích ở trên, chúng ta thấy các node chính thường phải truyền số liệu qua những khoảng cách xa, lắng nghe và nhận tín hiệu từ các node trong cụm, và xử

lý nhiều công việc khác trong cụm, nên chúng thường mất nhiều năng lượng hơn các node thành viên khác Do vậy mạng phải tái phân cụm định kỳ để lựa chọn các node có dư thừa năng lượng hơn làm node chính của các cụm và phân bố lưu lượng tải đều hơn cho toàn bộ các node

Đối với một mạng WSN quy mô lớn, số node sẽ rất nhiều, nên ta cần có một kiến trúc mạng tốt Bằng cách phân chia các cụm node, nhằm giảm dư thừa và chồng chéo tính năng giữa các node Thách thức chính là việc triển khai của các node cảm biến trong vùng có các hiện tượng cần theo dõi sao cho có thể giám sát một cách hiệu quả, và tái phân cụm liên tục nhằm tận dụng triệt để nguồn pin năng lượng của tất cả các node trong mạng WSN

Luận văn tiến hành nghiên cứu và đánh giá một số thuật toán phân cụm nổi tiếng như K-Means, Fuzzy C-Means, Insensitive Fuzzy C-Means trong việc phân cụm của WSN Tìm hiểu ưu và nhược điểm của các thuật toán này cùng với đó là việc nghiên cứu và tổng hợp giao thức SEP[8] Trên cơ sở lý thuyết tìm hiểu được, luận văn đề xuất hướng tiếp cận mới đó là việc kết hợp thuật toán Insensitive Fuzzy C-Means vào giao thức SEP và tiến hành mô phỏng và đánh giá hiệu quả của thuật toán cải tiến này thông qua phần mềm matlab

Nội dung đề tài gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây Wireless Sensor Network (WSN)

Chương 2: Các thuật toán phân cụm mờ và giao thức định tuyến SEP trong mạng cảm biến không dây

Chương 3: Đề xuất giao thức kết hợp SEP_εFCM , mô phỏng và đánh giá

CHƯƠNG I - TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WIRELESS SENSOR NETWORK(WSN) 1.1 Giới thiệu về WSN

Mạng cảm biến không dây Wireless Sensor Network(WSN)[1] được định nghĩa là một mạng lưới được hình thành từ sự kết hợp giữa các node cảm biến với nhau Node cảm biến là một thiết bị nhỏ gọn, có khả năng tự hành và giao tiếp không dây qua một khoảng cách ngắn 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

Các node cảm biến được trang bị các tính năng cảm nhận, quan sát, đo đạc, tính toán, định vị,… môi trường xung quanh sau đó truyền dữ liệu tổng hợp được về node gốc bằng bộ thu và phát sóng vô tuyến của mình Node gốc là nơi thu nhận các

dữ liệu từ các node thành viên trong nhóm tiến hành tổng hợp và phân tích dữ liệu sau đó gởi dữ liệu này về Sink node tại đây dữ liệu đã sẵn sàng cho người dùng sử dụng 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 điểm thu phát (Sink node) và môi trường mạng công cộng như internet hay vệ tinh

Hình 1.1: Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây

Các node cảm biến không dây liên kết thành một mạng cùng với đó là sự phát triển của internet, vệ tinh đã tạo ra nhiều khả năng mới cho con người Với sự tiến

bộ về kỹ thuật vi điện tử, công nghệ nano, công nghệ mạch tích hợp,…đã thiết kế ra các cảm biến không dây 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 cùng với việc áp dụng các

kỹ thuật mã hóa, sửa lỗi truyền thống nhằm tăng độ tin cậy của các đơn vị riêng lẻ

bị giới hạn bởi kích thước và công suất của các node cảm biến Việc tăng độ tin cậy của các thiết bị riêng lẻ là điều cốt yếu Thêm vào đó, chúng ta có thể tăng độ tin cậy của các ứng dụng bằng khả năng khắc phục được sự hỏng hóc của các thiết bị, việc ứng dụng các thuật toán vào việc phân cụm, định tuyến nhằm tận dụng triệt để nguồn năng lượng của mỗi node sẽ làm tăng tuổi thọ của các node cảm biến Như vậy, hệ thống hoạt động trên từng node không những mạnh mẽ mà còn dễ dàng phát triển các ứng dụng phân tán tin cậy

Ngày nay với khả năng triển khai mạng và khả năng đáp ứng được rất nhiều ứng dụng thực tế khác nhau, mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như : quốc phòng, an ninh, dân sự, y tế, giao thông, nghiên cứu vi sinh vật biển, 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 Ứng dụng của WSN

Mạng cảm biến không dây (WSN) ra đời giúp cho chúng ta không mất quá nhiều sức lực, nhân công, tránh sự nguy hiểm và chúng mang lại hiệu quả cao trong công việc Với sự tiến bộ về kỹ thuật vi điện tử, công nghệ nano, công nghệ mạch tích hợp,…đã thiết kế ra các cảm biến nhỏ gọn, giá thành rẻ và có khả năng triển khai một số lượng lớn các thiết bị, chính vì thế WSN đã được triển khai trong hàng loạt các lĩnh vực khác nhau như : Quốc phòng, dân sự, y tế, giáo dục, môi trường, nông nghiệp,… Với một số ứng dụng cụ thể như : theo dõi hành quân, điều quân

của quân địch; theo dõi khô hạn và cảnh báo cháy rừng; Đo độ ẩm để điều tiết nước tưới trong các trang trại nông nghiệp; Giám sát sức khỏe của bệnh nhân,…

Một số ứng dụng của mạng WSN trong cuộc sống :

Hình 1.2: Các ứng dụng của WSN

Triển vọng và ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong quân sự Các mạng cảm biến không dây là một phần không thể thiếu trong các ứng dụng quân sự ngày nay với các hệ thống mệnh lệnh, điều khiển, thu thập tin tức tình báo truyền thông, tính toán, theo dõi kẻ tình nghi, trinh sát và tìm mục tiêu Với đặc tính triển khai nhanh chóng, tự tổ chức và khả năng chịu đựng lỗi của các mạng cảm biến cho thấy đây là công nghệ đầy triển vọng trong lĩnh vực quân sự Vì các mạng cảm biến dựa trên cơ sở triển khai rất nhiều nút giá rẻ và chỉ dùng một lần, việc bị địch phá hủy một số node không ảnh hưởng tới hoạt động chung như các cảm biến truyền thống nên chúng tiếp cận chiến trường tốt hơn một số ứng dụng cụ thể như : kiểm tra lực lượng, trang bị, đạn dược, giám sát chiến trường, trinh sát vùng và lực lượng địch, tìm mục tiêu, đánh giá thiệt hại trận đánh, trinh sát và phát hiện các vũ khí hóa học – sinh học – hạt nhân

Hình 1.3: Ứng dụng trong quân sự

Ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong giám sát và điều khiển công nghiệp Đặc thù của giám sát và điều khiển công nghiệp là môi trường nhiễu lớn, không đòi hỏi lượng lớn dữ liệu thông tin được truyền tải nhưng yêu cầu rất cao về

độ tin cậy và đáp ứng thời gian thực Mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong lĩnh vực này chủ yếu phục vụ việc thu thập thông tin, giám sát trạng thái hoạt động của hệ thống, như trạng thái các van, trạng thái thiết bị, nhiệt độ và áp suất của nguyên liệu được lưu trữ,… Ngoài ra, trong một số ứng dụng điều khiển trên diện rộng thì mạng cảm biến không dây cũng thể hiện nhiều tính năng vượt trội Đó là hệ thống điều khiển không dây ánh sáng quảng cáo Rất nhiều chi phí trong quá trình cài đặt các bóng đèn trong một toà nhà lớn (các chuyển mạch có dây, các bóng đèn được bật/tắt cùng nhau, điều khiển bóng đèn, …) Một hệ thống không dây có tính mềm dẻo có thể tận dụng một bộ điều khiển từ xa có thể được lập trình để điều khiển một số lượng các bóng đèn theo nhiều cách khác nhau gần như vô hạn, trong khi vẫn cung cấp mức độ an ninh được yêu cầu bởi một bộ phận lắp đặt quảng cáo Hay việc sử dụng các mạng cảm biến không dây trong các ứng dụng an toàn công nghiệp Các mạng cảm biến không dây có thể tận dụng các cảm biến để phát hiện sự

hiện diện của các chất độc hại hoặc các vật liệu nguy hiểm, cung cấp quá trình phát hiện và nhận dạng sớm các khe hở hoặc phát hiện tràn các tác nhân hoá học hoặc sinh học trước khi thiệt hại nghiêm trọng xảy ra và trước khi các chất vượt ra ngoài vùng kiểm soát Bởi vì mạng không dây có thể sử dụng các thuật toán định tuyến phân tán, có nhiều đường định tuyến, và có thể tự chữa trị và tự duy trì, chúng có thể co giãn trong mặt ngoài của quá trình bùng nổ hoặc các thiệt hại khác đến máy công nghiệp, cung cấp các thẩm quyền với thông tin trạng thái máy quyết định dưới các điều kiện rất khó Trong một ứng dụng khác, đó là quá trình giám sát và điều khiển cơ cấu quay hoặc chuyển động trong không gian là một lĩnh vực khá phù hợp với các mạng cảm biến không dây ( máy bay, vật thể bay …) Với ứng dụng khác trong lĩnh vực này của các mạng cảm biến không dây là hệ thống nồi hơi, thông hơi

và điều hòa không khí (HVAC) của các toà nhà Một hệ thống HVAC được trang bị với các bộ ổn nhiệt và chống rung không dây sẽ mang lại hiệu quả bảo vệ con người tốt hơn nếu cũng hệ thống HVAC đấy mà chỉ được trang bị một bộ ổn nhiệt đơn có dây

Hình 1.4: Ứng dụng trong giám sát và điều khiển công nghiệp

Triển vọng và ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong ngành nông nghiệp và môi trường

Một số ứng dụng về môi trường của WSN :

+ Theo dõi sự di chuyển của các loài chim, loài thú nhỏ, côn trùng; kiểm tra các điều kiện môi trường ảnh hưởng tới mùa màng và vật nuôi; + Các công cụ giám sát phát hiện hóa học, sinh học, kiểm tra môi trường không khí, đất trồng, biển;

+ Phát hiện và cảnh báo cháy rừng, phát hiện động đất, sóng thần

+ Các ứng dụng của WSN được sử dụng trên các trang trại chăn nuôi Người chăn nuôi có thể sử dụng các mạng cảm biến trong quá trình quyết định vị trí của các con vật trong trang trại và các cảm biến được gắn theo mỗi con vật, xác định các yêu cầu cho các phương pháp điều trị để phòng chống các động vật ký sinh và dịch bệnh phát sinh

Hình 1.5: Ứng dụng theo dõi cháy rừng

Ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong lĩnh vực y tế và giám sát sức khỏe Một số ứng dụng trong lĩnh vực y tế của mạng cảm biến không dây là khả năng giao tiếp cho các người khuyết tật; kiểm tra tình trạng của bệnh nhân; chẩn đoán; kiểm tra, giám sát sự di chuyển và các cơ chế sinh học, kiểm tra từ xa các số liệu về sinh lý con người; giám sát, kiểm tra các bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh viện

Hình 1.6: Ứng dụng trong y tế

Các ứng dụng tự động hóa cho các hộ gia đình và điện dân dụng Gia đình là không gian ứng dụng rất lớn cho các mạng cảm biến không dây “SmartHome” là thuật ngữ để chỉ một ngôi nhà “thông minh” với việc đưa toàn bộ các thiết bị cảm biến vào ứng dụng một cách toàn diện Một ứng dụng được điều khiển chung từ xa, một PDA (Personal Digital Assistant) có thể điều khiển TV, máy nghe DVD, dàn

âm thanh nổi và các thiết bị điện tử gia đình khác hay các bóng đèn, các cánh cửa,

và các ổ khoá cũng được trang bị với kết nối mạng cảm biến không dây Với điều khiển chung từ xa, một bộ có thể điều khiển ngôi nhà từ tiện ích trên ghế Tuy nhiên, khả năng hấp dẫn nhất đến từ sự kết hợp nhiều dịch vụ, giống như các cánh cửa tự động đóng khi TV được bật, hoặc có thể tự động ngưng hệ thống giải trí gia đình khi một cuộc gọi được nhận trên máy điện thoại hoặc chuông cửa kêu Mục đích lớn của các mạng cảm biến không dây trong gia đình được mong chờ là mức tiêu thụ điện thấp là điều kiện thiết yếu của các mạng cảm biến không dây Ứng dụng khác trong gia đình là việc hỗ trợ các dịch vụ gia đình trên ôtô Với các mạng cảm biến không dây, ổ khoá không dây, các cảm biến cửa ra vào và cửa sổ, và các

bộ điều khiển bóng đèn không dây, chủ nhà có một thiết bị tương tự như một

key-fob với một nút bấm Khi bấm nút, thiết bị khoá tất cả các cửa ra vào và cửa sổ trong nhà, tắt hầu hết các bóng đèn trong nhà (trừ một vài bóng đèn ngủ), bật các bóng đèn an toàn ngoài nhà, và thiết lập hệ thống HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning) đến chế độ ngủ Người sử dụng nhận một tiếng beep một lần hồi đáp thể hiện tất cả đã thực hiện thành công, và nghỉ ngơi hoàn toàn, như vậy ngôi nhà an toàn Khi một cánh cửa hỏng không thể mở, hoặc vấn đề tồn tại, một màn hình hiển thị trên thiết bị chỉ thị nơi bị hỏng

Hình 1.7: Ứng dụng trong ngôi nhà thông minh

1.3 Cấu trúc mạng WSN

1.3.1 Cấu trúc một node trong mạng WSN

Một trong những thành phần quan trọng nhất để hình thành mạng cảm biến không dây đó chính là node cảm biến Ngày nay với sự tiến bộ của khoa học đặc biệt là ngành điện tử viễn thông đã cho ra đời những node cảm biến có kích thước nhỏ gọn hơn, giá thành thấp, có khả năng lưu trữ cao, tính toán nhanh và hoạt động hiệu quả hơn với năng lượng, bộ cảm biến nhạy hơn, khả năng thu và phát sóng giữa các node với nhau tốt hơn Tùy theo từng yêu cầu ứng dụng cụ thể của từng mạng cảm biến các node cảm biến có thể được thiết kế thêm các chức năng riêng,

về cơ bản một node cảm biến được cấu tạo bởi bốn thành phần chính sau:

- Bộ xử lý (a processing unit)

- Bộ thu phát (a transceiver unit)

- Bộ cảm nhận (sensing unit)

- Bộ nguồn (a power unit)

Hình 1.8: Các thành phần cơ bản của một node cảm biến

(ADC: bộ chuyển đổi analog sang digital)

1.3.2 Cấu trúc mạng WSN

Cấu trúc mạng WSNs không giới hạn trong một vài thiết kế, khi thiết kế mạng tùy theo thực địa các nhà thiết kế có nhiều cách thiết kế Sau đây là một số thiết kế được cho là tối ưu và được khuyến nghị nên dùng

1.3.2.1 Cấu trúc hình sao (Star)

Cấu trúc này là cấu trúc đơn giản, thường được sử dụng Trong cấu trúc này, tất cả các node giao tiếp trực tiếp với các cổng, cấu trúc này rất đơn giản cho việc thiết kế, các mối quan tâm khác về mạng được giảm tới mức tối thiểu Nhưng chúng

có hạn chế rất lớn là khả năng mở rộng kém và hạn chế về độ bền của hệ thống Cấu trúc này là cấu trúc đơn giản, thường được sử dụng Trong cấu trúc này, tất cả các node giao tiếp trực tiếp với các cổng, cấu trúc này rất đơn giản cho việc thiết kế, các

mối quan tâm khác về mạng được giảm tới mức tối thiểu Nhưng chúng có hạn chế rất lớn là khả năng mở rộng kém và hạn chế về độ bền của hệ thống

Hình 1.9: Cấu trúc mạng hình sao

1.3.2.2 Cấu trúc dạng lưới (Mesh)

Đối với mạng với số lượng node lớn, phân bố trên một diện tích rộng thì có thể dùng cấu trúc này Trong cấu trúc này, tín hiệu được truyền từ node này đến node khác và cho đến khi truyền đến cổng Tùy theo thực tế, WSN có thể được tổ chức có cấu trúc hoặc ngẫu nhiên

Hình 1.10: Cấu trúc mạng dạng lưới

1.3.2.3 Cấu trúc phân cụm hai tầng

Cấu trúc này là cấu trúc phổ biến nhất trong việc phân cụm mạng WSN Trong cấu trúc này, các node trong một khu vực cụ thể báo cáo dữ liệu về một cụm chủ

CH Cụm chủ này tạo thành một mạng lưới với node gốc, như vậy một node gốc sẽ

quản lý nhiều CH ở các cụm nhỏ khác nhau Ưu điểm của cấu trúc này là nó chia một mạng lớn thành nhiều khu vực nhỏ Cụm chủ cũng có thể được thiết kế mạnh

mẽ hơn về tính năng thông tin liên lạc hoặc thậm chí có thể được kết nối thông qua các mạng khác, tăng tốc độ truyền tải và độ tin cậy của mạng

Hình 1.11: Cấu trúc mạng phân cụm hai tầng

1.3.3 Giao thức định tuyến trong WSN

Các node cảm biến trong mạng cảm biến không dây thường dùng pin, do thiết

kế nhỏ gọn nên lượng pin có giới hạn Khi triển khai ở một phạm vi rộng và số lượng node cảm biến lớn thì rất khó cho việc nạp lại năng lượng cho pin Như vậy, vấn đề năng lượng trong mạng WSN là một nguồn tài nguyên có giới hạn, cho nên việc định tuyến phân cụm nhằm tiết kiệm năng lượng là một trong những khía cạnh quan trọng nhất của việc kéo dài tuổi thọ cho các node cảm biến Trong việc định tuyến nhằm tiết kiệm năng lượng thì việc chọn đường đi giữa hai node và việc tiến hành phân cụm thường xuyên để sử dụng cân bằng nguồn năng lượng ở tất cả các node là yếu tố quan trọng hàng đầu Để thực hiện được việc định tuyến phân cụm này chúng ta cần giải quyết được những thách thức sau:

- Số lượng lần truyền tin:

Trên thực tế khi tiến hành truyền tin giữa các node làm tiêu thụ năng lượng khá nhiều Số lượng lần truyền tin từ một node tới node chủ càng ít thì sẽ giảm được sự

tiêu hao năng lượng, cho nên chiến lược giảm thiểu tái truyền đi, nó cũng giảm tiêu thụ năng lượng

- Sử dụng năng lượng cân bằng ở các node:

Các node chủ phải tiến hành lắng nghe và thu thập thông tin từ các node trong nhóm của mình, sau đó tiến hành tổng hợp thông tin thu được từ các node thành viên và truyền thông tin này về trạm trung tâm cho nên node chủ sẽ tiêu hao năng lượng rất nhanh Chính vì vậy ta phải định kỳ phân nhóm lại, lấy node còn nhiều năng lượng làm node chủ, như ta có thể tận dụng triệt để nguồn năng lượng trên tất cả các node

và làm tăng được tuổi thọ của toàn mạng cảm biến

+ Mặt phẳng quản lý nguồn (Power Management Plane)

+ Mặt phẳng quản lý tính di động (Mobility Management Plane)

+ Mặt phẳng quản lý tác vụ (Task Management Plane)

Hình 1.12: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây

Tuỳ theo nhiệm vụ của cảm biến, các kiểu phần mềm ứng dụng có thể được xây dựng và sử dụng trên lớp ứng dụng:

+ Lớp giao vận giúp duy trì dòng số liệu khi các ứng dụng của mạng cảm biến yêu cầu

+ Lớp mạng tập trung vào việc định tuyến số liệu được cung cấp bởi lớp giao vận Do môi trường có nhiễu và các nút cảm biến có thể di động được, giao thức MAC(Media Access Control) phải được tính toán về năng lượng và tối thiểu hóa va chạm trong việc phát quảng bá với các nút lân cận

+ Lớp vật lý sử dụng các kỹ thuật điều chế, truyền và nhận cần thiết đơn giản nhưng mạnh mẽ Thêm vào đó, các mặt phẳng quản lý năng lượng, di động và nhiệm vụ điều khiển sự phân phối năng lượng, phối hợp di chuyển và nhiệm vụ giữa các nút cảm biến Các mặt phẳng này giúp cho các nút cảm biến có thể phối hợp trong nhiệm vụ cảm biến và giảm được tổng năng lượng tiêu thụ

+ Mặt phẳng quản lý nguồn quản lý việc một nút cảm biến sử dụng năng lượng của nó như thế nào Ví dụ, nút cảm biến có thể tắt bộ phận nhận sau khi nhận một bản tin từ một trong các nút lân cận Điều này có thể tránh được việc nhận bản tin tới hai lần Ngoài ra, khi mức năng lượng của nút cảm biến thấp, nút cảm biến sẽ

thông báo tới tất cả các nút lân cận rằng mức năng lượng thấp của nó đã thấp nên nó không thể tham gia vào việc định tuyến cho các bản tin Năng lượng còn lại được

dự trữ cho việc cảm biến

+ Mặt phẳng quản lý tính di động dò tìm và ghi lại chuyển động của nút cảm biến, vì thế một tuyến đường hướng tới nút user luôn được duy trì và các nút cảm biến có thể theo dõi được các nút cảm biến lân cận Với việc nhận biết được các nút cảm biến lân cận, nút cảm biến có thể cân bằng giữa nhiệm vụ và năng lượng sử dụng

+ Mặt phẳng quản lý tác vụ cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến cho một vùng cụ thể Không phải tất cả các cảm biến trong vùng đó được yêu cầu thực nhiệm vụ cảm nhận tại cùng một thời điểm Kết quả là một vài nút cảm biến thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức năng lượng của chúng Những mặt quản lý này rất cần thiết, như vậy, các nút cảm biến có thể làm việc cùng với nhau để có hiệu quả về mặt năng lượng, có thể định tuyến số liệu trong một mạng cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến Nếu không, mỗi nút cảm biến sẽ chỉ làm việc một cách đơn lẻ Xuất phát quan điểm xem xét trong toàn mạng cảm biến, sẽ hiệu quả hơn nếu các nút cảm biến có thể hoạt động hợp tác với nhau, như thế cũng có thể kéo dài tuổi thọ của mạng

1.4 Các thách thức và trở ngại đối với WSN

Ngày nay mạng cảm biến không dây được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực nhờ những tính năng ưu việt mà chúng đem lại cho chúng ta, tuy nhiên bên cạnh đó mạng cảm biến không dây vẫn tồn tại những hạn chế mà nếu chúng ta nắm bắt được những hạn chế này sẽ khắc phục và hạn chế tối đa những trở ngại này

1.4.1 Giới hạn về nguồn năng lượng

Các node cảm biến trong mạng cảm biến không dây thường sử dụng nguồn năng lượng có sẵn (Pin), với kích thước nhỏ nên năng lượng bị giới hạn tuy ngày nay nguồn năng lượng pin này ngày càng được tích hợp để mang được dung lượng cao hơn, nhưng do đòi hỏi tính năng ngày một cao của con người, các node cảm biến phải lắng nghe, cảm nhận, tính toán, truyền dữ liệu do đó, chúng ta phải tìm ra

giải pháp xử lý và truyền dữ liệu một cách hợp lý để tăng tuổi thọ cho mạng cảm biến không dây Việc thiết lập một chu kỳ làm việc với việc chuyển mạch giữa hai chế độ : Chế độ ngủ (mode sleep) và chế độ hoạt động (mode active), việc định tuyến phân cụm hiệu quả, tránh việc chồng chéo là những yếu tố quan trọng trong việc giải quyết bài toán về nguồn năng lượng cho mạng cảm biến không dây

1.4.2 Giới hạn về phần cứng

Đối với một số ứng dụng đòi hỏi chúng ta phải thiết kế những node cảm biến nhỏ, điều này làm hạn chế đi bộ nhớ, khả năng tính toán, và nguồn năng lượng, khiến cho chúng hạn chế về tính năng cũng như tuổi thọ của mạng Điều này đòi hỏi chúng ta không ngừng cải tiến công nghệ phần cứng để cho ra đời những sensor có kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp,hiệu suất cao và đặc biệt có tuổi thọ dài

1.4.3 Ảnh hưởng của môi trường

Mạng cảm biến không dây sử dụng đường truyền là sóng vô tuyến, nên rất dễ

bị ảnh hưởng bới các yếu tố môi trường bên ngoài, điều này có thể dẫn đến việc truyền dữ liệu giữa các node cảm biến bị gián đoạn hoặc bị mất dữ liệu trong quá trình các node cảm biến truyền về trạm gốc

1.5 Kết luận

Ngày nay mạng cảm biến không dây với chi phí đầu tư thấp, tiêu thụ ít điện năng tuổi thọ cao cho phép ta triển khai trong nhiều điều kiện địa hình khí hậu phức tạp, đặc biệt là khả năng tự tổ chức mạng, khả năng xử lý cộng tác và chịu được các

hư hỏng đã tạo ra một triển vọng ứng dụng đầy tiềm năng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Mạng cảm biến không dây phục vụ đa dạng các mục tiêu không chỉ thu thập thông tin dữ liệu mà còn điều khiển giám sát hệ thống trên phạm vi rộng lớn Tuy nhiên để triển khai mạng cảm biến không dây người thiết kế hệ thống cần phải nắm bắt được những tác động, ưu và nhược điểm của mạng để khắc phục để từ đó có thể thiết kế ra hệ thống theo cách tối ưu nhất

Trong chương này giới thiệu tổng quan về WSN bao gồm : giới thiệu về WSN

và các ứng dụng, cấu trúc node, cấu trúc mạng WSN, giao thức định tuyến và các

thách thức trở ngại đối với WSN để làm cơ sở cho chương sau trình bày đến các giải thuật và công trình liên quan WSN

CHƯƠNG II - CÁC THUẬT TOÁN PHÂN CỤM MỜ

VÀ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

2.1 Các kỹ thuật phân cụm và các thuật toán phân cụm mờ trong mạng cảm biến không dây

2.1.1 Giới thiệu chung

Ngay sau khi được giới thiệu, mạng cảm biến không dây đã thu hút được sự quan tâm hết sức đặc biệt vì khả năng đáp ứng được rất nhiều ứng dụng trong thực

tế Cùng với sự phát triển của công nghệ mạng viễn thông, công nghệ nano, mạch tích hợp, đã làm cho chi phí triển khai mạng giảm đi một cách đáng kể, điều này tất yếu sẽ dẫn đến các ứng dụng mạng cảm biến được triển khai trên diện rộng, với số lượng nút cảm biến lớn Một trong những yếu điểm lớn nhất của mạng cảm biến không dây đó là nguồn năng lượng giới hạn phục vụ cho hoạt động của các node cảm biến được triển khai trong mạng Để duy trì được thời gian hoạt động lâu dài của mạng và hiệu quả sử dụng năng lượng cao, các node cảm biến thường được tổ chức phân bậc bằng cách gộp chúng lại thành các nhóm riêng biệt, tại mỗi nhóm dữ liệu được thu thập và xử lý nội bộ tại các CH node trước khi được gởi về trạm gốc

Kỹ thuật này gọi là phân cụm trong mạng cảm biến không dây[2]

2.1.2 Cấu trúc mạng WSN có phân cụm

Hình 2.1: Cấu trúc phân cụm trong mạng cảm biến không dây

Việc phân cụm trong mạng cảm biến không dây sẽ hình thành nên một cấu trúc phân cấp hai mức mà ở đó các node chính tạo thành một bậc còn lại các node thành viên hình thành nên một nhóm thuộc về một bậc thấp hơn Các node trong cùng một nhóm không truyền trực tiếp số liệu mà chúng tổng hợp được về trạm gốc

mà sẽ truyền dữ liệu về node chính của nhóm Tại node chính của nhóm sẽ có nhiệm vụ thu thập số liệu từ các node thành viên, xử lý loại bỏ sự trùng lặp, sắp xếp, tinh lọc và lấy các dữ liệu theo các chức năng đã yêu cầu của hệ thống, sau đó truyền các số liệu này về trạm gốc nếu là sự trao đổi thông tin một chặng (one-hop [3]), truyền qua các node chính khác nếu là sự trao đổi thông tin đa chặng (multi-hop [3]) Ở trao đổi thông tin một chặng thì các node có thể trực tiếp truyền dữ liệu

về trạm gốc Trong thực tế khi triển khai một mạng rộng với số lượng node lớn thì việc trao đổi thông tin sẽ phải qua nhiều chặng, các node có phạm vi truyền dẫn hạn chế và do đó buộc phải định tuyến việc truyền dữ liệu của chúng qua một số chặng cho đến khi số liệu được truyền tới đích Như vậy giữa các node có sự phân bố năng lượng không đều, điều này dẫn đến tình trạng một số node bị mất năng lượng với tốc độ cao hơn, nhanh bị dừng hoạt động hơn một số node khác và có thể làm giảm phạm vi cảm biến và chia cắt mạng

Đối với trao đổi thông tin một chặng, các node xa trạm gốc thường là những node ở trong tình trạng nguy cấp nhất do thiếu năng lượng hoạt động, trong khi ở trao đổi thông tin nhiều chặng, các node gần trạm gốc nhất thường phải gánh chịu nhiều lưu lượng tải và thường bị dừng hoạt động trước tiên (đây là một vấn đề khá nguy hiểm và nghiêm trọng - “hot spot”)

+ Các mạng cảm biến có phân nhóm có thể được phân chia thành các mạng không đồng nhất và các mạng đồng nhất tương ứng với kiểu và chức năng của các node trong mạng Với mạng đồng nhất, tất cả các node đều có khả năng xử lý và cấu trúc phần cứng như nhau Vai trò của node chính được hoán chuyển vòng tròn theo chu kỳ giữa các node để cân bằng tải Mặc dù hoán chuyển vòng tròn vai trò các node chính để đảm bảo các node cảm biến tiêu thụ năng lượng đồng đều hơn, nhưng vấn đề “hot spot” đã nêu ra ở trên không thể tránh khỏi hoàn toàn Trong các

mạng không đồng nhất, một số lượng nhất định các node có những khả năng xử lý cao hơn và độ phức tập phần cứng lớn hơn được triển khai trên toàn mạng cùng với một số các node cảm biến thông thường khác Đối với các node chính, nhiều năng lượng hơn cần phải tiêu thụ để thực hiện một vài chức năng nào đó và chúng phục

vụ như là các bộ thu thập số liệu và các trung tâm xử lý cho những số liệu thu thập bởi các node cảm biến Vì các mạng không đồng nhất cấp phát các node chính ở dạng tĩnh, thời gian hoạt động của mạng được xác định phụ thuộc vào thời gian chức năng của các node chính mà có liên quan trực tiếp tới hoạt động của node chính và tiêu thụ năng lượng Các node chính có thể hình thành nên một mạng đường trục và sử dụng định tuyến nhiều chặng để định hướng số liệu tới trạm gốc Hiện tượng “hot-spot” xảy ra trong mạng khi mà các node chính sử dụng năng lượng cung cấp ở tốc độ cao hơn và ngừng hoạt động nhanh hơn các node chính khác Việc quản lý lưu lượng tải trở nên cần thiết để ngăn ngừa vấn đề suy giảm nguồn năng lượng cung cấp trước cho riêng từng node chính của mạng

Các vị trí của các node chính trên mạng có ảnh hưởng đến tiêu thụ năng lượng tổng cộng của tất cả các node Các node chính có thể được phân tán trong trường cảm biến một cách ngẫu nhiên hoặc chúng có thể được triển khai theo một cách thức xác định trước Trong trường hợp sau, ví dụ, các node mạng có khả năng di chuyển và do vậy có thể thay đổi các vị trí của chúng cho tới khi chúng tới được một vài vị trí được xác định trước Mặc dầu một mạng cảm biến không đồng nhất và được triển khai ngẫu nhiên là rất phổ biến và dễ dàng thực hiện, nhưng có nhiều khó khăn hơn để điều khiển kích cỡ thực sự của các nhóm và cân bằng có hiệu quả lưu lượng giữa các node chính của nhóm Do đó, vấn đề hot-spot có thể dễ dàng nảy sinh do có sự tiêu thụ quá năng lượng ở một node chính nào đó

Tuy còn có nhiều thảo luận liên quan đến vấn đề tiêu thụ và bảo toàn năng lượng, mạng cảm biến không dây phân nhóm có hai ưu điểm chính so với mạng không có sự phân nhóm:

- Mạng cảm biến không dây phân nhóm có khả năng làm giảm khối lượng thông tin trao đổi giữa các node bằng việc khoanh vùng truyền dẫn số liệu trong

phạm vi các nhóm và quan trọng hơn bằng việc giảm đáng kể số lượng truyền dẫn

về trạm gốc

- Mạng cảm biến không dây phân nhóm có khả năng gia tăng thời gian không làm việc của các node cảm biến qua việc cho phép các node chính được điều phối

và tối ưu các hoạt động của các node thành viên

2.1.3 Phân loại các kỹ thuật phân cụm trong WSN

Như đã phân tích ở trên, các node chính thường xuyên phải truyền dữ liệu qua những khoảng cách xa và xử lý nhiều công việc khác nhau trong cụm của mình, nên chúng thường mất nhiều năng lượng hơn các node thành viên khác, ngoài ra việc triển khai tại các môi trường khắc nghiệt cũng dẫn tới việc ngừng hoạt động không mong muốn của các node Do vậy mạng phải tái phân cụm định kỳ để lựa chọn các node có dư thừa năng lượng hơn làm node chính của các cụm và phân bố lưu lượng tải đều hơn cho toàn bộ các node Việc định kỳ phân cụm ngoài việc đạt được hiệu quả về sử dụng năng lượng kéo dài thời gian hoạt động của mạng, phân cụm còn làm giảm sự tranh chấp kênh, xung đột gói và làm cho thông lượng của mạng tốt hơn ngay cả khi có lưu lượng tải cao Phân nhóm được nghiên cứu rộng rãi trong xử

lý số liệu và mạng cố định Tuy nhiên, kỹ thuật phân nhóm được phát triển trong các lĩnh vực nêu trên đều không thể áp dụng trực tiếp cho mạng cảm biến không dây do sự triển khai duy nhất và các đặt tính hoạt động của những mạng này Đặc biệt, các mạng cảm biến không dây được triển khai theo cách thức tùy biến (Ad hoc) và có một số lượng lớn các node Các node thường không nhận thức được về các vị trí của chúng Do vậy, các giao thức phân bố mà dựa trên thông tin ở lân cận xung quanh thường được lựa chọn cho các mạng cảm biến không dây ( tuy nhiên, phần lớn các nghiên cứu trong lĩnh vực này vẫn giả sử rằng cấu hình của mạng là đã được biết bởi một bộ điều khiển trung tâm) Hơn nữa, các node trong các mạng cảm biến không dây hoạt động dựa trên nguồn năng lượng dự trữ có giới hạn (Battery)

Vì vậy, kỹ thuật phân nhóm triển khai trên thực tế phải có chi phí trao đổi thông tin thấp Cuối cùng các điều kiện một trường khắc nghiệt cũng dẫn đến sự ngừng hoạt động không mong muốn của các node mạng cảm biến Cho nên, phân nhóm lại theo

định kỳ là rất cần thiết để gắn kết các vùng bị mất liên lạc và phân bố sự tiêu thụ năng lượng ra toàn bộ các node Phân nhóm lại theo định kỳ cũng rất cần thiết khi

mà các tham số sử dụng cho phân nhóm ( ví dụ như: năng lượng còn lại, mức độ của node…) là linh hoạt Các kỹ thuật phân nhóm được đề xuất cho xử lý số liệu thường xem xét các tham số tĩnh như là khoảng cách giữa các node và giả sử rằng các node là rất xác thực Phân nhóm trong mạng cảm biến không dây liên quan đến việc tập hợp các node lại thành các nhóm và lựa chọn ra mọt node chính sao cho:

+ Các thành viên của một nhóm có thể trao đổi thông tin trực tiếp với node chính của chúng

+ Một node chính có thể chuyển dữ liệu thu thập được tới trạm gốc trung tâm thông qua các node chính khác

Do vậy, việc tập hợp các node chính trong mạng hình thành nên một tổ hợp các liên kết chi phối ( connected dominating set ) có ảnh hưởng lớn đến toàn mạng Nghiên cứu về phân nhóm trong các mạng cảm biến không dây tập trung vào việc phát triển các thuật toán tập trung cũng như phân tán để tính toán xác định nên tổ hợp các liên kết chi phối Ở đây, tập trung vào các hướng tiếp cận phân tán vì chúng

là thực tế hơn cho những hiện trạng được triển khai trên phạm vi rộng

Chúng ta phân loại các kỹ thuật phân nhóm dựa trên hai tiêu chí sau :

+ Các tham số được sử dụng cho việc lựa chọn các node chính

+ Bản chất thực thi của một thuật toán phân nhóm ( theo xác suất hay lặp )

Thực thi của một thuật toán phân nhóm Việc thực thi một thuật toán phân nhóm có thể được tiến hành tại một căn cứ trung tâm ( ví dụ như tại một trạm gốc ) hoặc theo cách thức phân tán tại các node nội bộ Hướng tiếp cận tập trung thường yêu cầu thông tin về cấu hình mạng Phương thức phân nhóm kinh điển K-Means ( được đề xuất trong các tài liệu xử lý số liệu ) có thể được áp dụng nếu số các nhóm yêu cầu có thể được xác định trước và các vị trí của node là hiện hữu Trong trường hợp này, một tập hợp ngẫu nhiên ban đầu của các nhóm được lựa chọn và một node được chuyển đi từ một nhóm này sang các nhóm khác nếu sự di dời này làm giảm