Vấn đề năng lượng của mạng cảm biến không dây thường được phân định và giải quyết theo cấp độ nút và cấp độ mạng. Cấp độ nút được xem xét đến những
Sink
liên quan tiết kiệm năng lượng trong những hoạt động nội tại của nút và các giải pháp thu năng lượng từ môi trường bổ sung cho nút cảm biến. Cấp độ mạng được nghiên cứu và giải quyết theo các giải pháp liên quan đến định tuyến truyền thông và lập lịch tối ưu cho mạng nhằm tiết kiệm năng lượng cho nút và toàn mạng.
Tuy nhiên, số lượng nút trong mạng lớn và mỗi nút cảm biến trong mạng có nhu cầu năng lượng khác nhau. Các nút cảm biến được thiết kế và sử dụng linh kiện điện tử có thể khác nhau, cấu tạo, nguyên lí làm việc cũng như thuật toán hoạt động của các nút, khả năng làm việc khác nhau nên mức tiêu thụ năng lượng sẽ khác nhau. Mặt khác, các nút cảm biến trong mạng cũng có khả năng thu năng lượng từ môi trường khác nhau phụ thuộc nhiều yếu tố như kỹ thuật, môi trường, ... Nhiều nghiên cứu đã xem xét về các hoạt động hoặc chế độ làm việc của nút cảm biến cùng với các mức tiêu thụ năng lượng, để từ đó có thể tìm ra các giải pháp ở cấp độ nút và cấp độ mạng cho vấn đề năng lượng của mạng cảm biến không dây.
1.2.2.1. Năng lượng tiêu thụ ở cấp độ nút cảm biến
Các giải pháp về năng lượng của nút cảm biến phải được bắt đầu từ việc nghiên cứu từng hoạt động tiêu thụ năng lượng của nút, khi đánh giá được mức tiêu thụ của từng hoạt động sẽ tìm ra các phương thức để tiết kiệm phù hợp cho nút cảm biến. Các nghiên cứu đã mô hình hóa năng lượng theo các thành phần hoặc theo các hoạt động của nút cảm biến làm tiền đề cho nghiên cứu giải pháp năng lượng cho nút. Nghiên cứu của Halgamuge cùng các cộng sự [39] đã đưa ra mô hình và tính toán năng lượng tiêu thụ cho từng hoạt động của nút cảm biến. Trong nghiên cứu này tác giả xem xét nút với các hoạt động tiêu tốn năng lượng như khởi động nút, thu thập dữ liệu, xử lí và điều khiển, lưu trữ dữ liệu, truyền thông, chuyển tiếp giữa các chế độ làm việc của nút và thực thi tác vụ với đối tượng bên ngoài.
Hoạt động thu thập dữ liệu bao gồm các công việc lấy mẫu tín hiệu, biến đổi từ tín hiệu vật lí thành tín hiệu điện, điều chế tín hiệu và chuyển đổi tín hiệu từ tương tự sang tín hiệu số. Năng lượng tiêu hao cho hoạt động thu thập dữ liệu với gói dữ liệu b bít phụ thuộc nguồn cung cấp cho nút, dòng điện tiêu thụ khi hoạt động thu thập dữ liệu và khoảng thời gian thực hiện hoạt động thu thập dữ liệu của gói dữ liệu b bít. Năng lượng tiêu hao cho hoạt động thu thập dữ liệu được biểu diễn như biểu thức 1.1.
EsensN (b) = bVsupIsensTsens (1.1)
Trong đó:
������(b): năng lượng tiêu hao của nút N khi thu thập gói dữ liệu b bít (J)
����: nguồn cung cấp của nút cảm biến (V)
�����: dòng điện khi hoạt động thu thập dữ liệu của nút (A) �����: khoảng thời gian thực hiện thu thập gói dữ liệu b bít (s).
Nghiên cứu cũng chỉ ra hoạt động xử lí và điều khiển tiêu thụ năng lượng chủ yếu cho bộ vi điều khiển, và được quy cho hai thành phần là tiêu hao năng lượng do hoạt động của các chuyển đổi điện tử trong vi điều khiển và tổn thất năng lượng do dòng rò. Tổng năng lượng tiêu hao cho vi điều khiển của nút cảm biến làm việc để xử lí gói dữ liệu b bít được tính theo biểu thức 1.2.
� (�, � ) = � + � = �� � �2 + �� (� � ��� �����) ( ���� ) (1.2) ��� � ��� �����ℎ ���� ��� ��� ��� ��� 0 � Trong đó:
�����: tổng năng lượng tiêu hao để vi điều khiển xử lí gói dữ liệu b bít (J) ������ℎ: năng lượng tiêu hao cho việc chuyển đổi điện tử trong vi điều khiển (J) �����: tổn thất năng lượng do dòng rò (J)
����: số chu kỳ xung nhịp cho mỗi tác vụ
����: điện dung trung bình chuyển đổi trên mỗi chu kỳ (F) �0 : dòng rò (A)
�� : hằng số phụ thuộc vào bộ xử lí
�� : điện áp sinh ra do tác động của nhiệt độ (V) � : tần số cảm biến (Hz).
Năng lượng sử dụng cho hoạt động lưu trữ dữ liệu của cảm biến được xem xét để đọc gói dữ liệu gồm b bít và ghi vào bộ nhớ. Năng lượng tiêu thụ cho hoạt động này phụ thuộc vào năng lượng tiêu thụ cho việc đọc, ghi gói dữ liệu gồm b bít, dòng điện cho việc đọc, ghi 1 byte dữ liệu và thời gian thực hiện đọc, ghi 1 byte dữ liệu. Năng lượng tiêu thụ cho hoạt động lưu trữ dữ liệu của một nút cảm biến trên mỗi chu kỳ được tính bởi công thức 1.3.
� (�) = � + � = ����� (� � + � � ) (1.3) ���� � Trong đó: ���� � ���� 8 ����� ����� ���� ����
������: năng lượng sử dụng cho hoạt động lưu trữ dữ liệu của cảm biến (J) �����: năng lượng tiêu thụ cho việc đọc gói dữ liệu gồm b bít (J)
������: năng lượng tiêu thụ cho việc ghi dữ liệu (J) �����: dòng điện cho việc đọc 1 byte dữ liệu (A) ������: dòng điện cho việc ghi 1 byte dữ liệu (A) �����: thời gian thực hiện đọc 1 byte dữ liệu (s) ������: thời gian thực hiện ghi 1 byte dữ liệu (s).
Hoạt động truyền thông của nút cảm biến tiêu hao phần lớn năng lượng của nút. Năng lượng tiêu hao cho hoạt động nhận gói tin có độ dài b bít thực chất là năng lượng tiêu hao cho mạch điện tử nhận dữ liệu. Năng lượng tiêu hao để truyền một gói tin b bít với khoảng cách truyền từ một nút cảm biến đến một trưởng nhóm được tính theo hai phần bao gồm năng lượng tiêu hao trong mạch điện tử truyền hoặc nhận dữ liệu và năng lượng tiêu hao bởi bộ khuếch đại công suất. Tổng năng lượng cho hoạt động truyền thông này được biểu diễn trong biểu thức 1.4.
����(�) = ������
{
Trong đó:
��
� �� ���� �� ���
����: năng lượng tiêu hao để nhận dữ liệu (J)
����: năng lượng tiêu hao truyền một gói tin b bít với khoảng cách truyền dij(J) �����: năng lượng tiêu hao trong mạch điện tử truyền hoặc nhận dữ liệu (J)
����: năng lượng tiêu hao bởi bộ khuếch đại công suất (J) ��� : khoảng cách truyền (m)
� : hệ số mũ suy hao đường truyền.
Ngoài ra, nút cảm biến còn có các hoạt động khác cũng tiêu thụ năng lượng như khởi động nút và thực thi các tác vụ chẳng hạn gửi tín hiệu hay điều khiển một đối tượng bên ngoài nhằm thực hiện nhiệm vụ nào đó. Trong tất cả các hoạt động của nút, hoạt động truyền thông tiêu thụ năng lượng lớn nhất. Halgamuge và các cộng sự đã đưa ra mức năng lượng tiêu thụ của các hoạt động của nút cảm biến được chỉ ra như trong Hình 1.6. Nghiên cứu đưa ra dự kiến tỷ lệ về mức tiêu thụ năng lượng cho hoạt động truyền thông chiếm 51% trên tổng toàn bộ năng lượng của nút cảm biến, hoạt động thu thập dữ liệu chiếm 6%, hoạt động biến đổi 8%, hoạt động xử lý chiếm 12%, hoạt động lưu trữ dữ liệu 14%, hoạt động chờ chuyển giữa các trạng thái làm việc chiếm 10%. Trong thực tế, tác vụ biến đổi có thể coi là hoạt động của khối cảm biến, hoạt động lưu trữ dữ liệu có thể coi là hoạt động của khối xử lý.
Hình 1.6. Năng lượng tiêu thụ dự kiến cho các hoạt động của nút cảm biến [39].
Nghiên cứu chỉ ra mức năng lượng yêu cầu sử dụng cho hoạt động truyền nhận thông tin chiếm một phần lớn là 51% trên tổng năng lượng tiêu thụ của nút cảm biến. Vì vậy các nghiên cứu liên quan đến vấn đề năng lượng của mạng cảm biến không dây thường tập trung vào năng lượng sử dụng cho truyền thông. Một số nghiên cứu chuyên sâu về năng lượng của hoạt động truyền thông chẳng hạn như nghiên cứu của Jan M. Rabaey và các cộng sự [40] đã chỉ ra sự phân phối năng lượng tiêu thụ cho các tác vụ trong việc truyền thông của nút cảm biến. Các tác giả đưa ra mức năng lượng cho bộ vi xử lý làm việc chiếm 30% trên tổng năng lượng yêu cầu của truyền thông, hoạt động cấu hình 25%, tác vụ đồng bộ hóa 14%, đáp ứng nhận tin 1%, hoạt động nhận tin chiếm 12%, truyền tin 5% và truyền thông băng tần cơ sở 13%. Hình
1.7 mô tả về sự phân phối mức năng lượng tiêu thụ dự kiến cho các tác vụ trong hoạt động truyền thông của một nút cảm biến.
Hình 1.7. Năng lượng tiêu thụ cho tác vụ truyền thông của nút cảm biến [40].
Các nghiên cứu đưa ra tương đối đầy đủ các hoạt động tiêu hao năng lượng của một nút cảm biến không dây hoặc chi tiết hóa các mức năng lượng cần sử dụng trong các tác vụ của công việc truyền thông của nút cảm biến. Tuy nhiên, mô hình hóa về mức năng lượng tiêu thụ trong các hoạt động của nút cảm biến mang tính ước lượng. Thực tế, cảm biến rất phong phú đa dạng cả về công nghệ và ứng dụng, cảm biến được thiết kế, chế tạo khác nhau về phần cứng và phần mềm. Mức tiêu thụ năng lượng trong các hoạt động sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như mạch điện tử, linh kiện sử dụng, loại vi xử lí được dùng hoặc thuật toán làm việc của nút cảm biến, ... Các mô hình này có ý nghĩa trong nghiên cứu, phát triển chế tạo cảm biến tiết kiệm năng lượng. Trong khi việc ứng dụng cảm biến ở các bài toán thực tế sẽ không thể nhận biết, tách bạch được từng hoạt động này của nút trong quá trình hoạt động để xử lý hay tìm cách giảm mức tiêu thụ năng lượng của nút. Sự tiêu thụ năng lượng của nút chỉ được tính toán trong quá trình hoạt động của mạng khi nút có các chế độ làm việc rõ ràng và các chế độ đó phải được kiểm soát bằng các sự kiện nhất định bởi bộ vi xử lí trung tâm của nút.
Vì vậy, các nút cảm biến phục vụ các ứng dụng thường được thiết kế với bốn chế độ làm việc bao gồm chế độ ngủ, chế độ chờ, chế độ đo lường và chế độ truyền thông. Trong đó, ở chế độ ngủ nút cảm biến tiêu thụ năng lượng thấp nhất gần như không đáng kể. Chế độ đo lường sẽ yêu cầu mức năng lượng nhiều hơn. Chế độ truyền thông sẽ tiêu thụ năng lượng lớn nhất. Bộ vi xử lí trung tâm của nút cảm biến sẽ đóng vai trò giám sát và điều phối nút hoạt động theo bốn chế độ này nhờ các sự kiện như giá trị đo lường, sự kiện về thời gian hoặc các tín hiệu từ bên ngoài tác động đến nút. Việc điều phối này nhằm tiết kiệm năng lượng cho nút cảm biến. Các nghiên cứu phát triển và các hãng sản xuất sẽ cố gắng thiết kế, chế tạo cũng như nỗ lực tìm kiếm và sử dụng các linh kiện điện tử cho nút cảm biến để tiết kiệm năng lượng ở mức cao nhất nhằm mục tiêu tối thiểu hóa mức năng lượng tiêu thụ của nút cảm biến để kéo dài tuổi thọ của từng nút nói riêng và của toàn mạng nói chung.
1.2.2.2. Năng lượng tiêu thụ ở cấp độ mạng
Các nghiên cứu đều chỉ ra rằng mức năng lượng tiêu thụ trong truyền thông chiếm phần lớn trên tổng năng lượng tiêu thụ của nút cảm biến, nên các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho mạng là nỗ lực cải thiện giao thức định tuyến và hạn chế việc truyền
thông giữa các nút để tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên, để đảm bảo mục tiêu ứng dụng của mạng cảm biến, hoạt động truyền thông giữa các nút phải xảy ra thường xuyên. Do đó, các nghiên cứu phần nhiều hướng đến phát triển, cải tiến các giao thức truyền thông, định tuyến, các thuật toán tối ưu hóa trong truyền thông mạng để hạn chế việc truyền thông của các nút, hạn chế số lần truyền thông, tối ưu hóa đường truyền, ... nhằm mục tiêu giảm thiểu năng lượng trong truyền thông. Trong một nghiên cứu của A. El-Hoiydi và các cộng sự về một số giao thức tiêu thụ năng lượng thấp [41], năng lượng tiêu thụ của truyền thông trong các giao thức thường được xem xét và phân bổ theo công suất tiêu thụ ở trạng thái chờ truyền thông, công suất tiêu thụ khi nhận, công suất tiêu thụ khi truyền. Năng lượng tiêu thụ tổng sẽ phụ thuộc vào các khoảng thời gian xảy ra các hoạt động tiêu thụ năng lượng đó như thời gian chuyển từ trạng thái chờ sang trạng thái truyền hoặc nhận dữ liệu, thời gian để đóng gói dữ liệu chuẩn bị cho việc truyền thông và khoảng thời gian thực hiện truyền thông,
… Công suất tiêu thụ khi truyền thông bản tin của một giao thức lý tưởng được tính theo công thức 1.5. Trong đó: ����� � = �� + �̂�(��+��+��)+ �̂�.�� � (1.5)
������: công suất tiêu thụ lí tưởng (W)
�� : công suất tiêu thụ ở trạng thái chờ truyền thông (W) �̂� : công suất tiêu thụ khi nhận (W)
�̂� : công suất tiêu thụ khi truyền (W)
�� : thời gian để chuyển từ trạng thái chờ sang trạng thái nhận hoặc truyền tín hiệu (s)
�� : thời gian để đóng gói dữ liệu (s) �� : thời gian để kiểm soát gói tin (s)
�� : thời gian để xử lí yêu cầu chuyển đổi trạng thái giữa thu và phát (s) � : khoảng thời gian truyền thông (s).
Các tác giả đã phát triển, mô hình hóa các mức tiêu thụ năng lượng trong các hoạt động truyền thông và đưa ra các công thức tính công suất tiêu thụ trung bình của giao thức WiseMAC (Wireless Sensor MAC), giao thức PTIP (Periodic Terminal Initiated Polling) và giao thức PSM (Power Save Mode) được lần lượt chỉ ra trong các biểu thức 1.6, 1.7 và 1.8. �̂�(��+ 1 ) �̂�(��+ � �+ ��) +�̂��� (� + �) 2 �������� = �� + � + 2 + �̂�(� − 1) �� (1.6) �� � 2��� ����� = �� + � − �� �̂���+ �̂�(��+ ��+ ��) � + �� �̂���+ �̂�(��+ �� + ��) � (1.7)
� = � + 20�̂ + �̂�(��+��) + �̂���+ �̂�(��+2��) (1.8) ��� � � �� �
Các nghiên cứu khác xung quanh vấn đề các giao thức truyền thông cho mạng cảm biến không dây vừa có mục tiêu truyền thông hiệu quả, vừa có mục đích tiết
kiệm năng lượng trong quá trình trao đổi thông tin của mạng. Giao thức kiểm soát đa truy cập (MAC_Media Access Control) đã góp phần giảm thiểu năng lượng cho mạng cảm biến đáng kể [42]. Giao thức sử dụng kỹ thuật lấy mẫu trường mở đầu khung dữ liệu. Mỗi gói tin được đóng gói ở nút phát có trường mở đầu với mục đích đánh thức nút nhận. Giả sử các nút đang trong trạng thái ngủ và năng lượng tiêu thụ một lượng rất nhỏ, trường mở đầu này sẽ đảm bảo rằng nút nhận sẽ được đánh thức khi phần đầu của khung dữ liệu này được gửi tới nó. Như vậy các nút thay vì thức để nghe thông tin thì sẽ ngủ và đợi cho đến khi có gói tin đến mới thức dậy để làm việc, kỹ thuật này cung cấp một phương phức làm việc tiết kiệm năng lượng cho các nút cảm biến không dây. Tuy nhiên, giao thức có hạn chế là sẽ làm khung dữ liệu dài hơn gây hạn chế thông lượng và cũng làm tăng năng lượng tiêu thụ trong quá trình truyền thông.
Trong một nghiên cứu khác, giao thức kiểm soát truy cập trung bình được nghiên cứu phát triển nhằm giảm thiểu năng lượng tiêu thụ dùng cho mạng cảm biến không dây [43]. Giao thức này dựa trên kỹ thuật lấy mẫu trường mở đầu khung dữ liệu kết hợp việc giảm thiểu thời lượng của phần mở đầu bằng cách khai thác hồ sơ về lịch trình lấy mẫu của những nút lân cận trực tiếp với mình. Một nút sẽ có được bảng liệt kê khoảng thời gian lấy mẫu của các nút lân cận là các điểm đến thông thường của bản tin mà nó gửi đi. Sử dụng thông tin này, nút cảm biến sẽ truyền một gói tin vào đúng thời điểm, với phần mở đầu đánh thức có kích thước tối thiểu. Như vậy sẽ khắc phục được nhược điểm mà giao thức kiểm soát đa truy cập thông thường. Các nút nhận không mất nhiều thời lượng cho việc xử lý mẫu trường