Nhu cầu năng lượng của mạng cảm biến rất lớn và yêu cầu về nguồn năng lượng cho hoạt động của các nút cảm biến đa dạng, phức tạp. Các giải pháp cấp độ nút như tăng dung lượng pin, thu thập năng lượng từ môi trường chỉ mang tính bổ sung năng lượng cho nút. Việc tăng thêm hiệu suất thu năng lượng là vấn đề không đơn giản vì phụ thuộc nhiều yếu tố khách quan luôn biến động như công nghệ chế tạo linh kiện, không gian triển khai mạng, thời gian, thời tiết và môi trường. Các giải pháp tiết kiệm trong quá trình làm việc của nút cũng được các nghiên cứu đề cập và phát triển, nút có thể làm việc theo các chế độ như ngủ, đo lường, truyền thông và sẽ hoạt động luân phiên giữa các chế độ để tiết kiệm năng lượng. Truyền thông sẽ tiêu tốn phần lớn năng lượng trên tổng nhu cầu năng lượng của nút nên việc hạn chế truyền thông trong mạng là giải pháp nhiều nghiên cứu đề cập và phát triển. Tuy nhiên, việc truyền thông sẽ diễn ra thường xuyên giữa các nút để thực hiện nhiệm vụ mạng và định tuyến. Đây
Tìm hiểu tổng quan về năng lượng mạng cảm biến Mức tiêu thụ
năng lượng của nút cảm biến
Mô hình hóa năng lượng của
cảm biến
Mô phỏng năng lượng của mạng
cảm biến
Tối ưu hóa năng lượng mạng cảm biến
Mô phỏng mạng cảm biến có tính đến yếu tố năng lượng Xây dựng nền tảng mô phỏng mạng cảm biến
Xây dựng & mô phỏng mô
đun pin
Xây dựng & mô phỏng mô đun thu năng lượng Xây dựng & mô
phỏng mô đun cảm biến
Xây dựng & mô phỏng mô đun
điều khiển
Xây dựng & mô phỏng mô đun truyền thông Mô hình hóa nút cảm biến với 5 mô đun theo năng lượng
Phân tích & xây dựng sơ đồ lớp
các đối tượng Phân tích thiết
kế các chức năng nền tảng
Xây dựng & mô phỏng môi trường
đặt mạng
Thực nghiệm & đánh giá nền tảng mô phỏng Thiết kế chế tạo
nút cảm biến
Thực nghiệm đo năng lượng tiêu thụ
Thử nghiệm mô phỏng theo kịch bản
Thực hiện giải bài toán tối ưu hóa mạng cảm biến Phát triển thuật
toán tối ưu hóa
Thử nghiệm tối ưu hóa với bài toán cụ thể Phân tích & mô hình
18 là một vấn đề lớn trong truyền thông nên các giải pháp năng lượng cấp độ mạng thường xoay quanh vấn đề tối ưu hóa liên quan giao thức, định tuyến truyền thông nhằm tiết kiệm năng lượng. Bài toán tối ưu hóa năng lượng cho mạng cảm biến là bài toán tối ưu hóa tổ hợp đa mục tiêu và nhiều ràng buộc nên việc thực hiện các giải pháp sẽ không đơn giản, rất khó để giải quyết bằng các thuật toán tối ưu xác định hay phương pháp phân tích. Hơn nữa, các bài toán có mục tiêu giống nhau và các điều kiện, ràng buộc dù tương tự hay gần giống nhau nhưng các giải pháp thực hiện lại không giống nhau. Trong khi, các giải pháp chủ yếu thực hiện tối ưu hóa cho các bài toán đơn lẻ nên việc áp dụng kết quả giữa các bài toán là rất khó khả thi thậm chí không thể.
Trước thực trạng đó, nhóm nghiên cứu đã đề xuất và phát triển một số kỹ thuật, giải pháp tối ưu hóa sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến không dây cho lớp bài toán ứng dụng và nghiên cứu có những đóng góp sau:
- Xây dựng nền tảng mô phỏng mạng cảm biến có tính đến yếu tố năng lượng, tính toán, giám sát quá trình năng lượng và mức năng lượng ở từng chế độ hoạt động của từng nút theo thời gian cũng như khả năng cho phép trích xuất dữ liệu và tương tác người dùng, phục vụ việc tối ưu hóa mạng cảm biến với các vấn đề liên quan đến năng lượng. Nền tảng mô phỏng được xây dựng sẽ có tính mở, ngoài việc cung cấp thư viện các phần tử được xây dựng sẵn, cho phép người dùng thiết lập hệ thống cần mô phỏng, nền tảng mô phỏng cũng cho phép người dùng bổ sung thêm các phần tử mạng mới theo mục đích người dùng thông qua tự xây dựng mới hoặc kế thừa, mở rộng từ các phần tử sẵn có.
- Mô hình hóa nút cảm biến gồm 5 mô đun xác định rõ ràng nhiệm vụ và thuộc tính về năng lượng. Dựa trên cơ sở mô hình hóa nút, luận án nghiên cứu thực hiện thiết kế, chế tạo nút cảm biến có khả năng tùy biến theo chế độ làm việc và thời gian nhằm thử nghiệm và kiểm chứng nền tảng mô phỏng về năng lượng. Những việc đó làm tiền đề xây dựng nền tảng mô phỏng có tính đến yếu tố năng lượng và thực hiện tối ưu hóa mạng cảm biến cho lớp bài toán ứng dụng.
- Phát triển thuật toán di truyền có độ dài nhiễm sắc thể thay đổi để tối ưu hóa mạng cảm biến thông qua tối ưu hóa lịch trình mạng để đảm bảo mục tiêu mạng với các ràng buộc và tối ưu hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng. Hơn nữa, tối ưu hóa lịch trình mạng sẽ hỗ trợ và kết hợp với các giải pháp năng lượng sẵn có để các nút mạng có thể được tiết kiệm và bổ sung năng lượng kịp thời nhằm đảm bảo duy trì mạng hoạt động ổn định lâu dài. Trên cơ sở kết hợp giữa mô phỏng và giải thuật di truyền sẽ đưa ra kết quả là bộ thông số tối ưu hóa lịch trình mạng cho lớp bài toán ứng dụng theo mục tiêu và các ràng buộc.
19
Chương 2. Các nghiên cứu liên quan
Trong nghiên cứu và phát triển các giải pháp tối ưu hóa mạng cảm biến không dây xem xét đến hiệu quả sử dụng năng lượng có rất nhiều vấn đề cần quan tâm. Năng lượng ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ và các vấn đề khác của mạng như vùng phủ sóng, hiệu năng mạng, ... Mô phỏng và các giải thuật nhằm tối ưu hóa cho mạng cảm biến là vấn đề quan trọng không thể thiếu khi nghiên cứu, phát triển và ứng dụng mạng cảm biến không dây. Trong phần này luận án xem xét một số vấn đề nghiên cứu liên quan tới tối ưu hóa năng lượng của mạng cảm biến không dây như nguồn dự trữ, các phương pháp thu năng lượng từ môi trường, các phương pháp tiết kiệm năng lượng cho nút cảm biến, mô phỏng và các giải thuật tối ưu hóa sử dụng năng lượng cho mạng cảm biến, để thấy được những thành quả, vai trò và sự liên quan giữa các vấn đề năng lượng của mạng cảm biến cũng như chỉ ra những vấn đề cần tiếp tục phát triển và giải quyết cho bài toán tối ưu hóa mạng cảm biến.