Trong nhiều trường hợp, việc lấy năng lượng trực tiếp từ môi trường có thể đảm bảo cho việc vận hành các node mạng cảm biến. Năng lượng này người ta gọi là năng lượng sạch và thuật ngữ “energy scavening” bao gồm quang năng, động năng và các nguồn năng lượng khác.
Các node mạng tận dụng năng lượng sạch được gọi là “Live off the land” để thay thế cho nguồn năng lượng sạch có thể rất nhỏ bởi chúng không cần mang theo nguồn chứa năng lượng. Nguồn năng lượng được lấy từ môi trường có biến động rất lớn và chúng có thể được ngắt trong quá trình hoạt động. Thông thường việc ngắt nguồn sẽ được dự đoán trước, như là việc thay đổi chu kỳ của thiết bị chuyển động. Trong trường hợp khác việc ngắt nguồn là do sự cố, do đó dự báo thống kê thường được sử dụng. Xác suất nguồn ngừng hoạt dộng là rất lớn bởi vì công suất từ môi trường đủ vận hành không thể đảm bảo ở tất cả thời gian. Do đó người thiết kế phải chọn một mức độ tin cậy dựa trên các kiểu nguồn năng lượng sạch khác nhau và thiết kế node mạng phù hợp với yêu cầu.
Ví dụ, việc đánh giá hệ thống năng lượng mặt trời phải đề cập đến hiệu ứng giới hạn thời gian chiếu sáng. Việc thiết kế phải hỗ trợ cho sự vận hành ban đêm hay những lúc không có ánh sáng. Hơn nữa việc thiết kế cũng phải chú ý đến vị trí của các miền vùng khác nhau là khác nhau. Do đó người thiết kế phải đảm bảo một mức độ tin cậy dựa trên độ khả dụng của mặt trời ở vị trí thiết kế.
Một đặc điểm chung của hầu hết các nguồn năng lượng sạch là công suất trung bình thấp chỉ khoảng 1mV hoặc thấp hơn. Mặc dù công suất trung bình cần cho node mạng cảm biến có thể thấp hơn công suất trung bình của nguồn năng lượng sạch nhưng công suất đỉnh cần cho node mạng thì luôn lớn hơn công suất tức thời nhỏ nhất cung cấp bởi nguồn.
Để đáp ứng yêu cầu công suất đỉnh này và để hỗ trợ sự biến động đầu ra của các nguồn năng lượng sạch. Hầu hết các nguồn năng lượng sạch phải có mạch điều hòa công suất. Mạch điều hòa công suất đặt giữa nguồn công suất và tải để đảm bảo phù hợp giữa dòng và điện áp tại đầu ra của nó thích hợp với yêu cầu của tải. Đồng thời phải phù hợp dòng và tải yêu cầu tại đầu vào của nguồn. Hầu hết các mạch điều hòa công suất yêu cầu một phần tử lưu trữ năng lượng thứ cấp, thông thường là nguồn thứ cấp hoặc tụ điện . Về bản chất nguồn năng lượng sạch là những dòng chảy nhỏ nạp cho thiết bị lưu trữ thứ cấp từ đây năng lượng được chuyển tới node mạng. Nguồn năng lượng thứ cấp có mật độ năng lượng lớn hơn so với tụ điện, do đó chúng có thể công suất đỉnh cao hơn trong chu kỳ dài hơn. Tuy nhiên chúng cũng có tốc độ nạp lại cao hơn nên làm tăng sự tiêu thụ công suất trung bình. Tùy thuộc vào sự chọn lựa công nghệ, quá trình chuyển đổi điện áp có thể được thực hiện trước hoặc sau thiết bị lưu trữ thứ cấp, hoặc sau thiết bị này hoặc là cả trước và sau hoặc là không.
Một nhân tố được đề cập trong suất quá trình thiết kế hệ thống cung cấp năng lượng sạch là cách thức thực hiện bật và tắt nguồn. Tại thời điểm bật, thiết bị lưu trữ thứ cấp có thể đang được nạp vì vậy mạch điều hòa công suất sẽ không thể cung cấp cho tải cho tới thời điểm cuối cùng của quá trình nạp. Đây là một khó khăn bởi vì mạch điều hòa công suất không có hoặc không đủ đầu ra trong suốt thời gian này,
mạch điều khiển phát hiện ra điều kiện khởi động và giám sát trạng thái nạp của thiết bị lưu trữ thứ cấp và cuối cùng kết nối tải tới đầu ra của mạch điều hòa công suất. Nguồn công suất sạch có thể có đặc tính biến động lớn vì vậy việc thiết kế các mạch điều khiển gặp phải thách thức lớn. Hơn nữa, chúng còn phải đảm bảo cung cấp đủ năng lượng cho node mạng hoạt động ngay cả khi nguồn năng lượng sạch tạm thời gián đoạn.
Mạch khởi động phải không gây ảnh hưởng tới chức năng điều hòa node cho tới khi việc điều hòa được phát hiện. Để chức năng tắt nguồn của hệ thống có thể được thực hiện trong khi năng lượng vẫn khả dụng trong thiết bị lưu trữ thứ cấp. Nếu năng lượng sạch được sử dụng trực tiếp cho việc vận hành khi đó một nguồn nhỏ có thể được thực hiện để cung cấp mạch điều khiển.
* Tế bào quang điện
Hiện nay hầu hết các công nghệ nguồn sạch sử dụng các tế bào quang điện để thu năng lượng mặt trời. Các tế bào này được đặt tại vị trí để có thể thu được nhiều năng lượng mặt trời nhất và được sử dụng tại các node mạng mà nguồn chính và nguồn sơ cấp không khả thi, các vị trí này thường là các vùng xa.
Công suất điện được lấy ra từ các tế bào quang điện tương ứng với điện tích của tế bào và mật độ chiếu sáng của mặt trời. Điện áp cực của tế bào giống với điện áp của diode bán dẫn và có cường độ khá lớn. Trong khi dòng ra phụ thuộc trực tiếp vào cường độ chiếu sáng. Dòng ra của các tế bào quang điện tăng khi nhiệt độ tăng. Hiện tại có rất nhiều loại tế bào quang điện khác nhau và hầu hết là các tế bào silicon. Chúng có giá hợp lý và khả năng cảm nhận ánh sáng ở bước sóng gần 800nm. Có 3 loại tế bào silicon thường được sử dụng: Monocrystalline, polycrystalline và amorphous có hiệu suất khoảng 14%. Do các node mạng cảm biến yêu cầu công suất chiếu sáng của mặt trời tại bề mặt trái đất khoảng 100mW/cm2 nên chỉ cần 4cm2 tế bào amorphous có hiệu suất 6% có thể sản xuất khoảng 25mW (nếu được chiếu sáng hoàn toàn) tương ứng với dòng điện 50mA.
Điện áp mạch hở Voc của tế bào Si khoảng 0,5V. Được kết hợp với điện áp chuẩn công nghiệp cho mạch tích hợp. Do đó các tế bào phải được đặt nối tiếp để tăng điện áp ra. Điện áp ra là tương đối ổn định so với sự biến động của cường độ chiếu sáng. Tuy nhiên trong vài ứng dụng các tế bào quang điện không được sử dụng với sự điều chỉnh lớn. Trong hầu hết các trường hợp việc điều hòa công suất phải được sử dụng để cung cấp dòng trong khoảng thời gian mà các tế bào quang điện bị che tối và không thể tạo ra dòng đủ mạnh để cung cấp cho tải. Việc thiết kế mạch điều hòa công suất phải chú ý tới các nhân tố ảnh hưởng tới tế bào quang điện.
Một ví dụ về mạng cảm biến không dây sử dụng các tế bào quang điện là chương trình vi hạt trông minh (Smart Dust) tại trường đại học California. Các vi hạt trong hệ thống được kết nối với nhau bởi đường quang thay cho truyền dẫn vô tuyến. Vì kết nối được thực hiện bởi sợi quang nên việc yêu cầu thêm các thiết bị chiếu sáng nên chúng là không cần thiết.
* Các nguồn năng lượng khác
Các nguồn năng lượng khác gồm động năng, cơ năng…Hiện tại các loại nguồn này chưa được đề suất cho mạng cảm biến. Tuy vậy chúng được nghiên cứu và hướng phát triển các dự án tương lai
2.4 Kết luận chương
Trong chương 2, đã trình bày tổng quan về vấn đề tiêu hao năng lượng trong mạng cảm biến không dây và các nguyên nhân gây ra sự hao phí năng lượng, các những giải pháp giúp tiết kiệm năng lượng nhằm kéo dài thời gian sống của nút mạng, đảm bảo cho mạng cảm biến hoạt động tốt nhất trong những điều trong điều kiện nguồn năng lượng hạn chế. Có nhiều giải pháp trong việc tiết kiệm năng lượng, một trong những giải pháp tiết kiệm năng lượng trong mạng là sử dụng giao thức phân cấp cụm thích ứng với năng lượng thấp (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy- LEACH). Trong thực tế, đã có nhiều phương án đưa ra nhằm tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến không dây áp dụng giao thức LEACH. Nội dung
cụ thể sử dụng các biến thể của LEACH trong luận văn này sẽ được trình bày chi tiết trong chương 3.
CHƯƠNG 3:
PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ TỔN HAO NĂNG LƯỢNG VỚI GIAO TUYẾN ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG 3.1 Giới thiệu chung
Trong các mạng cảm biến không dây (WSNs), do giới hạn năng lượng của các nút, hiệu quả năng lượng là một điểm quan trọng nên được xem xét tại thời điểm thiết kế các giao thức. LEACH là giao thức phân cụm phân cấp được sử dụng rộng rãi trong WSN. Giao thức LEACH đóng vai trò quan trọng là đại diện tiêu biểu cho các giao thức phân cấp. Ngoài việc kéo dài tuổi thọ của các cụm nút, giao thức này còn thích hợp hơn để làm năng lượng tiêu tan trong toàn bộ mạng cảm biến không dây.
LEACH là một giao thức định tuyến phân cụm thích nghi được đề xuất bởi Wendi B. Heinzelman. Các mục tiêu chính của LEACH là: tăng tuổi thọ mạng, giúp mạng tiêu thụ năng lượng thấp, giảm số lượng thông điệp truyền thông bằng tập hợp dữ liệu. Leach được gọi là "Giao thức thích nghi năng lượng hiệu quả cho nhóm các mạng cảm biến không dây ”. Giá trị của giao thức LEACH đó là mỗi nút có xác suất bằng nhau để trở thành đầu cụm, làm cho sự phân bố năng lượng của mỗi nút được cân bằng.
Các giao thức mạng cổ điển, chẳng hạn như truyền trực tiếp, truyền dẫn năng lượng thấp, định tuyến đa luồng và phân cụm tất cả đều có lỗi khiến chúng không đạt được tất cả những phẩm chất mong muốn. LEACH bao gồm sự hình thành cụm phân tán, xử lý cục bộ để giảm truyền thông chung và xoay vòng ngẫu nhiên trong việc chọn CH. Các tính năng này cho phép LEACH đạt được các yêu cầu mong muốn.
Ý tưởng của giao thức LEACH đó là tạo thành các cụm từ cụm nút dựa trên cường độ tín hiệu nhận được và sử dụng các đầu cụm như bộ định tuyến đến trạm gốc. Điều này sẽ tiêu thụ ít năng lượng hơn vì việc truyền sẽ chỉ được thực hiện bởi các đầu cụm hơn là sử dụng tất cả các nút trong cụm. Giao thức này tạo điều kiện
cho các nút có nhiều năng lượng dư hơn có nhiều cơ hội hơn để được chọn làm đầu cụm. Để mở rộng tuổi thọ của toàn bộ mạng cảm biến, tải năng lượng phải được phân bố đồng đều giữa tất cả các nút cảm biến để năng lượng tại một nút cảm biến đơn lẻ hoặc một bộ nhỏ các nút cảm biến sẽ không bị rút cạn.
Dựa trên quá trình phân cụm ta nhận thấy giao thức LEACH là một thuật toán phân cụm với chi phí thấp và khả năng tự thích ứng. Các nút đầu cụm sẽ thu thập dữ liệu của các nút cảm biến từ các cụm, sau đó dữ liệu được xử lý và gửi đến các tiêu điểm, là đầu cụm với cấu trúc phân lớp. Rất dễ dàng để chọn đường dẫn truyền thông tin và lưu thông tin định tuyến mà không phải lưu một lượng lớn thông tin trong các hàm phức tạp.
Giao thức định tuyến LEACH có thể được chia thành hai giai đoạn: xây dựng các cụm và xử lý bảng (table processing). Tổng thời gian của hai giai đoạn này được gọi là một vòng. Để giảm chi phí của giao thức, thời gian của giai đoạn xử lý bảng dài hơn việc xây dựng các cụm. Tuy nhiên, rất ít nút trong LEACH thường chết sớm vì quá nhiều năng lượng trong mạng. Trình tự của cái chết của nút là từ xa đến gần. Do đó, việc truyền thông của khu vực cách xa trạm gốc sẽ không phản hồi sớm trong vòng và vùng chức năng của toàn mạng suy giảm trong khi thời gian sống của mạng bị giảm mạnh.
Vì vậy, một số cải thiện về độ ổn định mạng cần tiếp tục được phát triển dựa trên nền tảng LEACH sẽ được trình bày trong nội dung tiếp theo.
3.2 Giao thức chọn ổn định SEP
Trong phần này, ta mô tả mô hình của một mạng cảm biến không dây với các nút có mức lượng năng lượng ban đầu không đồng nhất. Đặc biệt, phần này trình bày về cách thiết lập và xây dựng mô hình năng lượng, và cách giải quyết vấn đề số lượng tối ưu của các cụm.
Giả sử, xảy ra trường hợp một tỷ lệ phần trăm số lượng của các nút cảm biến được cung cấp nhiều tài nguyên năng lượng hơn so với các nút còn lại. Gọi m là một phần trong tổng sốn nút, được cung cấp năng lượng nhiều hơn lần so với các nút
khác. Ta đề cập đến các nút mang năng lượng cao này là các nút nâng cao và các (1m)n nút còn lại là nút bình thường. Ta giả định rằng tất cả các nút được phân
phối đều trên trường cảm biến.
3.2.1 Nhóm theo phân cấp
Ta xem xét mạng cảm biến được nhóm lại theo phương pháp phân cấp. Giao thức tạo nhóm theo phân cấp LEACH duy trì hệ thống phân cấp như vậy. Trong LEACH, các cụm được thiết lập lại trong từng vòng. Thật vậy, các đầu cụm mới (cluster heads) được chọn trong từng vòng dẫn đến việc tải được phân phối tốt hơn và tạo ra cân bằng giữa các nút của mạng. Hơn nữa, các nút truyền tín hiệu tới đầu cụm gần nhất và việc đó làm giảm chi phí truyền thông (chi phi này gấp hàng chục lần chi phí xử lý và chi phí vận hành). Trong mô hình này, chỉ có đầu cụm có trách nghiệm báo cáo cho node sink và có thể quá trình này tiêu tốn một lượng lớn năng lượng, nhưng nó chỉ xảy ra định kỳ cho mỗi nút. Trong LEACH, có một tỷ lệ phần trăm tối ưu popt (xác định một ưu tiên) của các nút mà phải trở thành đầu cụm trong mỗi vòng, giả định rằng ta đã có sự phân bố đồng nhất của các nút trong không gian.
Nếu các nút là đồng nhất, có nghĩa là tất cả các nút trong trường có cùng năng lượng ban đầu, giao thức LEACH đảm bảo rằng tất cả các nút đó sẽ trở thành một đầu cụm chính xác một lần mỗi 1 opt p vòng. Trong mục này, ta đề cập đến số 1 opt p của các vòng, là vòng của mạng cảm biến nhóm.
Ban đầu mỗi nút có thể trở thành một đầu cụm với một xác suất popt. Trung bình, các nút npopt phải trở thành các đầu cụm trên mỗi vòng trên mỗi vòng. Các nút được chọn làm nút đứng đầu cụm trong vòng hiện tại không thể trở thành nút đứng đầu cụm trong cùng một vòng. Các nút không được chọn được đẩy về tập G. Hơn nữa, để duy trì số lượng đầu cụm ổn định trên mỗi vòng, mức độ ưu tiên của các nút
G
trở thành đầu cụm tăng sau mỗi vòng trong cùng một vòng. Quyết định chọn đầu cụm được thực hiện vào đầu mỗi vòng dựa trên việc mỗi nút sG độc lập chọn
một số ngẫu nhiên trong [0,1]. Nếu số ngẫu nhiên nhỏ hơn ngưỡng T s thì nút sẽ trở thành đầu cụm trong vòng hiện tại. Ngưỡng T s được tính như sau
1 1 .( mod ) ( ) 0 opt opt opt p if s G p r T s p otherwise (3.1)
trong đó r là số vòng hiện tại. Xác suất được chọn của các nút G để trở thành các đầu cụm tăng lên trong mỗi vòng trong cùng một vòng và trở thành bằng 1 trong vòng cuối cùng của vòng. Lưu ý rằng theo vòng, ta xác định một khoảng thời gian mà tất cả các nút cụm phải truyền đến đầu cụm một lần. Ta trình bày, trong bài báo này, cách thức tiến hành chọn của các đầu cụm. Quá trình này phải được điều chỉnh phù hợp để đối phó với các nút không đồng nhất, có nghĩa là trong trường hợp không phải tất cả các nút trong trường đều có cùng năng lượng ban đầu. Sở dĩ, các phân phối đồng đều như vậy vì năng lượng bổ sung chỉ có thể được cung cấp dưới