Các yêu cầu ứng dụng cũng như vấn đề năng lượng của mạng cảm biến có tính chất đa dạng và phức tạp. Mạng cảm biến với các bộ thông số như môi trường đặt mạng, yêu cầu kỹ thuật triển khai các nút mạng, khả năng ứng dụng của các cảm biến, khả năng và triển vọng về năng lượng của các nút mạng, mục tiêu mạng và tổ hợp các ràng buộc, … Vì vậy, bài toán tối ưu hóa cho mạng cảm biến cũng rất đa dạng và phức tạp, đa mục tiêu và nhiều ràng buộc. Tuy nhiên, các mục tiêu tối ưu hóa trong mạng cảm biến đa phần liên quan đến tuổi thọ mạng và vùng phủ sóng nên cần đặc biệt quan tâm đến vấn đề năng lượng. Hơn nữa, tối ưu hóa mạng cảm biến trong ứng dụng thực tế là bài toán rất phổ biến và thường gặp. Do đó, vấn đề cần giải quyết là đưa ra và thực hiện giải pháp cho các lớp bài toán tối ưu hóa mạng cảm biến thay vì giải các bài toán tối ưu riêng lẻ. Việc này sẽ giúp thuận tiện hơn, góp phần tiết kiệm thời gian và tài chính trong quá trình thiết kế, cài đặt mạng cảm biến cho các ứng dụng thực tế.
Hướng tiếp cận
Các bài toán tối ưu hóa mạng cảm biến hầu hết liên quan chặt chẽ đến vấn đề năng lượng của nút cảm biến. Do đó, nghiên cứu bài toán này đòi hỏi phải kiểm soát
16 được năng lượng của nút, mức tiêu hao, mức thu thập từ môi trường, năng lượng còn lại cũng như thời gian còn sống của từng nút cảm biến. Nghiên cứu với quan điểm mô hình hóa nút cảm biến theo mô đun năng lượng. Mỗi nút cảm biến sẽ được mô hình hóa thành 5 mô đun. Các mô đun cung cấp năng lượng bao gồm mô đun pin và mô đun nguồn năng lượng thu từ môi trường, các mô đun tiêu thụ năng lượng bao gồm mô đun cảm biến, mô đun truyền thông và mô đun điều khiển. Quá trình năng lượng của nút sẽ được giám sát trong từng chế độ làm việc dựa trên năng lượng của 5 mô đun. Mỗi nút sẽ có các chế độ làm việc như chế độ ngủ, chế độ chờ, chế độ đo lường và chế độ truyền thông. Trên cơ sở đó, tùy thuộc mục tiêu và các ràng buộc, bài toán sẽ được phân tích kỹ lưỡng với các tham số liên quan đến năng lượng để tìm ra lịch trình tối ưu của mạng cảm biến nhằm thực hiện mục tiêu bài toán ứng dụng đồng thời đảm bảo duy trì hoạt động mạng cảm biến.
Phương pháp nghiên cứu
Việc thiết kế và triển khai một mạng cảm biến cho ứng dụng thực tế liên quan và chịu ảnh hưởng trực tiếp của rất nhiều yếu tố như vai trò của nút trong mạng, điều kiện môi trường, không gian, địa hình, vị trí đặt cảm biến, ... dẫn đến yêu cầu về hoạt động cũng như năng lượng của các nút là khác nhau và rất phức tạp. Điều đó đòi hỏi phải có sự tính toán thử nghiệm cho ra một bộ kết quả với các thông số cài đặt cho từng nút trong mạng để đáp ứng yêu cầu bài toán và tối ưu hóa mục tiêu. Việc thiết lập mạng cảm biến thực cho một ứng dụng trong giai đoạn thiết kế và chạy thử để tìm ra lời giải tối ưu cho bài toán sẽ rất tốn kém, mất nhiều thời gian thậm chí không khả thi khi không gian bao phủ rộng, địa hình phức tạp và số lượng nút cảm biến lớn. Mục đích của nghiên cứu là kết hợp mô phỏng mạng cảm biến quan tâm đến vấn đề năng lượng và các giải thuật tối ưu để giải lớp bài toán tối ưu hóa mạng cảm biến. Phần mô phỏng sẽ tính toán, giám sát quá trình năng lượng của từng nút mạng ở các chế độ hoạt động theo thời gian. Các kết quả mô phỏng làm tham số để thuật toán tối ưu chạy và tìm ra bộ thông số tối ưu hóa mục tiêu cho ứng dụng. Sau đó cài đặt bộ thông số tối ưu này cho các nút trong ứng dụng thực tế để được một mạng ứng dụng làm việc tối ưu. Phương pháp này sẽ khắc phục được vấn đề của các giải pháp đơn lẻ và tiết kiệm thời gian cũng như kinh tế trong thiết lập, ứng dụng, phát triển mạng cảm biến. Tuy nhiên, các phần mềm mô phỏng mạng cảm biến sẵn có chỉ tập trung chủ yếu đến mô phỏng quá trình truyền thông trong mạng và các giao thức định tuyến cho mạng mà ít quan tâm đến quá trình năng lượng của nút, coi năng lượng của mỗi nút là vô hạn hoặc chỉ quan tâm đến năng lượng ở mức độ tổng thể, không tính đến quá trình hay mức tiêu thụ năng lượng trong từng chế độ hoạt động của nút, thậm chí không quan tâm đến chế độ hoạt động của nút trong khi thực tế các nút có thể hoạt động theo nhiều chế độ khác nhau. Do đó, phương pháp đòi hỏi có một nền tảng mô phỏng xem xét đến quá trình năng lượng và giám sát mức năng lượng tại từng chế độ hoạt động của từng nút mạng cùng với phát triển thuật toán tối ưu hóa lịch trình mạng cảm biến. Việc thực hiện mục tiêu của đề tài thông qua các công việc chính chỉ ra như Hình 1.8. Các công việc này sẽ được trình bày cụ thể trong các phần tiếp theo của cuốn luận án.
17
Hình 1.8. Các công việc chính thực hiện nghiên cứu