2.1.1. Hạn chế phần cứng
Tất cả các thành phần của nút Sensor phải đặt vừa vào trong một khối. Thông th−ờng kích cỡ đ−ợc yêu cầu nhỏ hơn 1 centimet khối, đôi khi, phải đủ nhẹ để có thể treo trên không trung. Ngoài các yêu cầu về kích cỡ, khối l−ợng, việc thiết kế các nút Sensor còn bị hạn chế bởi các yêu cầu nghiêm ngặt khác là :
+ Công suất tiêu thụ phải vô cùng thấp + Hoạt động trong mật độ thể tích cao
+ Giá thành sản xuất thấp và có thể bị bỏ qua mà không ảnh h−ởng tới toàn mạng + Có thể tự động tổ chức, quản trị và hoạt động không cần can thiệp
+ Thích nghi đ−ợc với môi tr−ờng.
Vì các nút Sensor th−ờng không tiếp cận đ−ợc nên thời gian tồn tại của một mạng Sensor phụ thuộc vào tuổi thọ nguồn năng l−ợng của nút. Năng l−ợng cũng là tài nguyên hiếm do bộ nguồn có kích cỡ giới hạn. Ví dụ, tổng năng l−ợng dự trữ trong một hạt Sensor thông minh là 1J. Trong mạng Sensor tích hợp vô tuyến (WINS), dòng điện trung bình cung cấp phải nhỏ hơn 30 àA để đảm bảo thời gian sống dài. Các nút WINS đ−ợc cung cầp năng l−ợng từ pin lithium (Li) tiêu chuẩn hình đồng xu (đ−ờng kính 2.5 cm dày 1cm). Ngoài ra, có thể tăng thời gian sống của mạng bằng cách tìm lấy năng l−ợng từ môi tr−ờng. Các ô pin mặt trời là một ví dụ.
Bộ thu phát của các nút Sensor có thể là các thiết bị quang thụ động hoặc tích cực hoặc các thiết bị vô tuyến (RF). Truyền thông tần số vô tuyến yêu cầu điều chế, bộ lọc thông dải, giải điều chế và ghép kênh làm cho chúng trở lên đắt và phức tạp. Ngoài ra, suy hao đ−ờng truyền tín hiệu giữa hai nút Sensor tỷ lệ theo luỹ thừa bậc bốn của khoảng cách do các nút Sensor sử dụng antent đẳng h−ớng. Tuy nhiên, truyền thông vô tuyến đ−ợc quan tâm trong hầu hết các dự án nghiên cứu vì các gói tin truyền trong mạng Sensor có kích th−ớc nhỏ , tốc độ số liệu thấp (th−ờng nhỏ hơn 1 Hz) và khả năng sử dụng lại tần số cao do khoảng cách truyền thông ngắn. Các đặc điểm này tạo ra cho thấy hệ số sử dụng hệ thống vô tuyến là thấp. Tuy nhiên, việc thiết kế các mạch vô truyến có hiệu quả về năng l−ợng và hệ số sử dụng thấp vẫn còn là một thách thức công nghệ. Các kỹ thuật vô tuyến th−ơng mại hiện nay vẫn không đ−ợc nh− mong muốn vì chúng còn tiêu thụ nhiều năng l−ợng.
Mặc dù đã có các bộ xử lý công suất tính toán cao với kich th−ớc nhỏ nh−ng hiện tại chúng vẫn ch−a đ−ợc phổ biến. Ví dụ, một vi hạt thông minh (smart dust mote) nguyên bản là một bộ vi điều khiển 4 MHz Atmel AVR 8535 với 8 Kb bộ nhớ tốc độ cao, 512 byte RAM và 512 byte EEPROM (ROM lập trình bằng điện). Hệ điều hành TinyOS đ−ợc sử dụng trong bộ xử lý này, với 3500 byte không gian chứa mã OS và 4500 byte không gian có sẵn. Bộ xử lý của một nút Sensor nguyên bản khác, gọi là àAMPS (à- Adaptive Multi-domain Power aware Sensors-Vi cảm biến nhận biết năng l−ợng đa miền thích ứng), có một vi xử lý 59 – 206 MHz SA – 1110 sử dụng hệ điều hành đa nhiệm à-OS.
Hầu hết các nhiệm vụ cảm biến yêu cầu có một sự hiểu biết về vị trí. Vì các nút Sensor th−ờng đ−ợc triển khai ngẫu nhiên và hoạt động tự động, nên chúng cần phải có một hệ thống tìm đ−ờng. Hệ thống này cũng đ−ợc yêu cầu bởi nhiều giao thức định tuyến. Thông th−ờng, các nút Sensor còn đ−ợc trang bị hệ thống định vị toàn cầu GPS có độ chính xác nhỏ hơn 5m. Nhờ vậy, chúng có thể tự động tìm vị trí thích hợp và có khả năng định vị chính xác các hiện t−ợng đích.
2.1.2. Môi tr−ờng hoạt động
Các nút Sensor đ−ợc triển khai dày đặc rất gần hoặc trực tiếp bên trong hiện t−ợng để quan sát. Vì thế, chúng th−ờng hoạt động tự động tại các vùng cách xa. Chúng có thể làm việc trong các môi tr−ờng sau:
+ Trong các phần tiếp giáp + Bên trong các bộ phận lớn + Đáy biển
+ Bên trong các hiện t−ợng phức tạp + Trên mặt biển, trong một thuỷ lôi + Các vùng ô nhiễm sinh hoá + Các vùng chiến sự
+ Các ngôi nhà hay toà nhà lớn + Các nhà kho lớn
+ Gắn vào các con thú + Gắn vào xe cộ
Nh− vậy, các nút Sensor phải làm việc với các điều kiện rất khó khăn: d−ới áp suất cao d−ới đáy biển; ở các môi tr−ờng khắc nghiệt nh− vùng chiến sự hay các đống đổ nát; d−ới sức nóng hay độ lạnh; trong các môi tr−ờng tạp âm lớn. Với mỗi loai phải có một kế hoạch thiết kế thích hợp.
2.1.3. Môi tr−ờng truyền dẫn
Trong một mạng Sensor đa liên kết, các nút mạng thông tin với nhau qua môi tr−ờng không dây. Các liên kết này có thể là sóng vô tuyến, hồng ngoại hay các tín hiệu quang. Việc chọn môi tr−ờng thông tin liên quan đén yêu cầu nhiệm vụ của mạng và chúng phải đảm bảo các quy định quốc tế về thông tin trong không gian để có thể hoạt động đ−ợc ở mọi nơi.
Liên kết vô tuyến sử dụng các dải tần công nghiệp, khoa học và y học (Industrial, Scientific and Medical-ISM). Các dải tần này đ−ợc thông tin tự do trong hầu hết các n−ớc. Bảng phân phối tần số quốc tế nằm trong khoản S5 trong quy định tần số chỉ ra một số dải tần dành cho các ứng dụng ISM (Bảng 2.1).
Bảng 2.1. Các dải tần dành cho các ứng dụng ISM
Một số các dải tần này đã đ−ợc sử dụng cho các hệ thống điện thoại cầm tay và mạng nội bộ không dây (Wireless LAN). Các mạng Sensor sử dụng bộ thu phát kích cỡ nhỏ, giá rẻ và công suất tiêu thụ cực thấp. Do các hạn chế về phần cứng và sự cân bằng giữa hiệu quả antent và công suất tiêu thụ giới hạn nên phải lựa chọn sóng mang thuộc dải tần rất cao (UHF). Các bộ thu phát sử dụng dải tần 433 MHz ISM ở châu Âu và 915 MHz ở Bắc Mỹ. Thuận lợi chính của các dải tần ISM là sử dụng tự do, phổ rộng và thông dụng. Chúng không v−ợt khỏi các tiêu chuẩn riêng, do đó có thể phù hợp với các kế hoạch tiết kiệm năng l−ợng. Mặt khác, còn có các hạn chế khác nh− giới hạn công
suất và nhiễu gây hại từ các ứng dụng đã triển khai do các dải tần ISM không đ−ợc quản lý.
Một kiểu truyền thông khác trong mạng Sensor là sử dụng hồng ngoại. Thông tin hồng ngoại đ−ợc sử dụng tự do và có khả năng chống nhiễu từ các thiết bị điện. Các bộ thu phát hồng ngoại có giá thành rẻ và dễ chế tạo. Ngày nay, các máy tính xách tay, máy tính cầm tay và điện thoại di động đều có cổng giao tiếp hồng ngoại. Trở ngại chính của việc sử dụng hồng ngoại là yêu cầu phải có một đ−ờng nhìn thẳng giữa nơi gửi và nơi nhận. Điều nay làm cho hồng ngoại khó đ−ợc sử dụng trong tr−ờng hợp mạng Sensor.
Một h−ớng phát triển đáng quan tâm là các vi hạt thông minh (smart dust mote), một hệ thống cảm biến, tính toán và thông tin tự động, sử dụng môi tr−ờng truyền dẫn quang học. Có hai ph−ơng pháp truyền thông tin: thứ nhất là truyền thông thụ động sử dụng một máy phản chiếu có dạng tam diện chữ nhật (Corner-cube-retroreflector (CCR)); thứ hai là truyền thông tích cực sử dụng các diode lazer và các g−ơng chuyển động. Hiện nay các diode lazer tại nơi phát đ−ợc gắn trên bảng mạch, có thể chuyển động lái chùm sáng vào chính xác nơi nhận.
Các ứng dụng đặc biệt đòi hỏi môi tr−ờng truyền dẫn phức tạp hơn. Ví dụ, với các ứng dụng d−ới biển thì môi tr−ờng truyền dẫn là môi tr−ờng n−ớc. Do đó phải sử dụng bức xạ b−ớc sóng dài để đi xuyên trong n−ớc. Với các vùng khí hậu khắc nghiệt hay các vùng chiến sự, thì phải v−ợt qua đ−ợc các sai lỗi và nhiễu lớn. Ngoài ra, các antent của Sensor thấp hơn và có công suất bức xạ nhỏ hơn các thiết bị vô tuyến khác. Do đó,môi tr−ờng truyền thông phải đ−ợc hỗ trợ bằng các ph−ơng thức điều chế và mã hoá chống lỗi phù hợp với đặc điểm từng loại kênh truyền.
2.2. Sự tiêu thụ năng l−ợng
Nút Wireless Sensor là một thiết bị điện rất nhỏ nên chỉ đ−ợc trang bị nguồn năng l−ợng hạn chế (<0.5Ah, 1.2V). Trong hầu hết các ứng dụng, việc tiếp thêm năng l−ợng là không thực hiện đ−ợc. Cho nên, thời gian tồn tại của nút Sensor phụ thuộc chủ yếu vào tuổi thọ của nguồn năng l−ợng. Trong mạng Sensor đa liên kết, mỗi nút đóng hai vai trò là điểm khởi đầu số liệu và định tuyến số liệu. Sự trục trặc của vài nút có thể là nguyên nhân quan trọng của việc thay đổi hình trạng mạng, phải định tuyến lại gói tin và phải tổ chức lại mạng. Do đó, việc bảo tồn nguồn năng l−ợng và quản lý nguồn năng l−ợng là rất quan trọng. Do các nguyên nhân này mà nhiều nhà nghiên cứu đã tập trung vào việc thiết kế các thuật toán và giao thức nhận biết, tính toán năng l−ợng cho mạng Sensor.
Trong các mạng đa liên kết và di động khác, việc tiêu thụ năng l−ợng là một vấn đề quan trọng trong thiết kế song không phải vấn đề chính vì nguồn năng l−ợng có thể đ−ợc ng−ời sử dụng thay thế. Điều quan trọng hơn là vấn đề cung cấp chất l−ợng dịch vụ (QoS). Tuy nhiên, trong các mạng Sensor, hiệu quả năng l−ợng là một vấn đề vô cùng quan trọng vì nó ảnh h−ởng trực tiếp tới tuổi thọ của mạng. Các giao thức riêng cho từng ứng dụng đ−ợc thiết kế để có đ−ợc sự cân bằng thích hợp giữa các vấn đề về độ trễ và thông l−ợng với hiệu quả năng l−ợng.
Nhiệm vụ chính của một nút Sensor trong tr−ờng Sensor là theo dõi các sự kiện, xử lý nhanh số liệu cục bộ và truyền thông số liệu. Công suất tiêu thụ bởi ba thành phần chính: cảm biến, truyền thông và xử lý số liệu.
2.2.1. Năng l−ợng cho nhiệm vụ cảm biến
Năng l−ợng tiêu thụ của bộ cảm biến và các thành phần của nó có thể thay đổi tuỳ theo ứng dụng cụ thể. Việc cảm biến rời rạc sẽ tiêu thụ công suất nhỏ hơn so với việc theo dõi các hiện t−ợng một cách liên tục. Độ phức tạp của nhiêm vụ quan sát hiện t−ợng đóng vai trò quyết định trong việc xác định mức năng l−ợng tiêu hao. Các mức tạp âm biên độ cao là nguyên nhân làm tăng độ phức tạp trong việc quan sát hiện t−ợng của các Sensor. Do đó, làm tăng công suất tiêu thụ cho nhiệm vụ cảm biến.
2.2.2. Năng l−ợng cho truyền thông
Trong ba thành phần nêu trên trong một nút Sensor, phần truyền thông số liệu tiêu thụ năng l−ợng nhiều nhất, bao gồm cả phát và thu số liệu. Đặc điểm truyền thông trong mạng Sensor là phạm vi ngắn và công suất bức xạ thấp (~ 0 dbm), chi phí năng l−ợng cho việc phát và thu là gần nh− nhau. Trong mạch thu phát, các bộ trộn, các bộ tổng hợp tần số, các bộ dao động điều khiển bằng điện áp, các vòng khoá pha (PLL) và các bộ khuếch đại công suất tiêu thụ công suất đáng kể. Điều quan trọng là tính toán này không chỉ quan tâm đến công suất tích cực mà còn xem xét đến tiêu thụ công suất khởi phát trong mạch thu phát. Thời gian khởi phát lên tới hàng trăm micro giây làm công suất khởi phát trở lên đáng kể. Giá trị cao của thời gian khởi phát đ−ợc cho là do thời gian khoá của vòng khoá pha (PLL). Khi kích cỡ gói tin truyền giảm nhỏ thì công suất khởi phát sẽ chiểm −u thế so với công suất tích cực. Kết quả là việc chuyển trạng thái (thu, phát) giữa ON va OFF không hiệu quả vì sẽ tiêu thụ một khối l−ợng điện năng lớn mỗi lần chuyển trạng thái về ON.
Công suất vô tuyến tiêu thụ đ−ợc tính nh− sau:
Trong đó, PT/R là công suất tiêu thụ bởi bộ phát/bộ thu; Pout là công suất đầu ra của bộ phát; T/Ron là khoảng thời gian phát/thu trạng thái ON; T/Rst là khoảng thời gian khởi phát tại mạch phát/thu; NT/R là số lần mạch phát/thu chuyển mạch sang ON trong một đơn vị thời gian, phụ thuộc vào nhiệm vụ và ph−ơng thức điều khiển truy nhập môi tr−ờng. Ton có thể viết lại bằng L/R , trong đó, L là kích th−ớc gói, R là tốc độ số liệu.
Với tiến bộ kỹ thuật hiện nay, các bộ thu phát vô tuyến th−ờng có PT và PR khoảng 20 dbm và Pout gần 0 dbm. Giá trị mục tiêu của Pc khoảng –20 dbm.
2.2.3. Năng l−ợng cho xử lý
Năng l−ợng tiêu thụ cho xử lý số liệu nhỏ hơn nhiều so với năng l−ợng dành cho truyền thông số liệu. Do ảnh h−ởng của fading và do sự suy giảm đ−ờng truyền theo luỹ thừa bậc bốn nên công suất tiêu thụ của bộ thu phát lớn khi khoảng cách truyền thông tăng. Trong khi đó, bộ xử lý th−ờng không phức tạp và tốc độ không cao nên tiêu thụ công suất nhỏ.
Một nút Sensor phải có khả năng tính toán và t−ơng tác với môi tr−ờng xung quanh. Giới hạn về chi phí và kích th−ớc dẫn đến sự lựa chọn công nghệ bán dẫn oxit kim loại (CMOS) cho bộ vi xử lý. Tuy nhiên, công nghệ này lại bị hạn chế về hiệu quả năng l−ợng.
Ngoài ra, trong nút Sensor còn có các mạch mã hoá và giải mã, các mạch tích hợp các ứng dụng đặc biệt. Khi thiết kế các giao thức và thuật toán cho mạng, phải tính toán các ảnh h−ởng đến công suất tiêu thụ của các thành phần này.
2.3. Các giải pháp tiết kiệm năng l−ợng 2.3.1. Giải pháp định tuyến 2.3.1. Giải pháp định tuyến
Việc định tuyến trong mạng sensor cũng nh− trong các mạng khác đ−ợc thực hiện tại lớp mạng.
Các nút Sensor đ−ợc phân bố dày đặc trong một tr−ờng ở gần hoặc ở ngay bên trong các hiện t−ợng mục tiêu nh− trong hình 1.1. Giao thức định tuyến không dây đa b−ớc phù hợp giữa nút Sensor và nút Sink là cần thiết. Kỹ thuật định tuyến trong mạng ad- hoc thông th−ờng không phù hợp những yêu cầu của mạng Sensor. Lớp mạng của mạng Sensor đ−ợc thiết kế theo những nguyên tắc sau :
- Hiệu suất năng l−ợng luôn là yếu tố quan trọng - Hầu hết các mạng Sensor là số liệu tập trung
- Việc tập hợp số liệu chỉ đ−ợc thực thi khi nó không cản trở hoạt động hợp tác của các nút Sensor .
- Một mạng Sensor lý t−ởng phải nhận biết đ−ợc việc đánh địa chỉ thuộc tính cơ sở và vị trí.
2.3.1.1. Các ph−ơng pháp định tuyến tối −u về năng l−ợng
Các ph−ơng pháp đ−ợc sử dụng để chọn tuyến đ−ờng có hiệu suất năng l−ợng cao đ−ợc minh hoạ trên hình 2.1.
Hình2.1: Hiệu quả năng l−ợng trong định tuyến
Trong đó, T là nút nguồn cảm biến hiện t−ợng mục tiêu. Nó có bốn đ−ờng có thể liên lạc với bộ thu nhận (Sink) nh− sau :
. Đ−ờng 1 : Sink - A - B - T, tổng PA = 4 , tổng α =3 . Đ−ờng 2 : Sink - A - B - C - T , tổng PA = 6 , tổng α= 6 . Đ−ờng 3 : Sink - D - T , tổng PA = 3 , tổng α= 4
. Đ−ờng 4 : Sink - E - F - T , tổng PA = 5 , tổng α= 6
Với PA là mức năng l−ợng hiện tại của nguồn nuôi tại nút (Available Power) và αi là năng l−ợng cần thiết để truyền một gói số liệu qua kết nối liên quan. Theo các tiêu chí khác nhau, có bốn ph−ơng pháp chọn đ−ờng có hiệu quả cao nhất về năng l−ợng.