2.1.1. Giải pháp tiết kiệm năng lượng trong kiến trúc nút cảm biến
Tư tưởng của giải pháp này là thay đổi cấu trúc thiết kế phần cứng cho nút cảm biến
để tiết kiệm năng lượng bằng cách sử dụng các công nghệ tiết kiệm năng lượng, tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng, thiết kế nhiều chế độ hoạt động với mức năng
lượng tiêu tốn khác nhau. Đây là giải pháp trực tiếp để tiết kiệm năng lượng ngay trên từng nút cảm biến khơng dây, hoặc chúng ta cũng có thể lấy năng lượng trực tiếp từ môi trường bên ngồi để có thể đảm bảo cho việc hoạt động của các nút
mạng cảm biến, năng lượng này gọi là năng lượng sạch và bao gồm quang năng,
động năng, năng lượng mặt trời và các nguồn năng lượng khác. Nút mạng có thể tận
dụng nguồn năng lượng này để thay thế hoặc kết hợp với nguồn năng lượng pin được sử dụng bởi chính nó. Điển hình của giải pháp này là đề xuất của Hempstead [45] một kiến trúc hệ thống năng lượng thấp cho các ứng dụng mạng cảm biến.
Theo đề xuất này, kiến trúc vi điều khiển của nút cảm biến được chia thành hai phần gồm: Bộ vi điều khiển (Controller) dùng để xử lý các sự kiện tổng thể như khởi động hệ thống và lập trình lại. Bộ xử lý sự kiện (Event Processor) xử lý các sự kiện
cấp cho Bộ vi điều khiển hoạt động, từ đó tiết kiệm năng lượng. Thêm nữa, kiến
trúc hệ thống thực hiện tắt các thành phần mạch điện khơng cần thiết trong q trình hoạt động để giảm tiêu thụ năng lượng, ví dụ như tắt mạch điện của các băng nhớ
không lưu dữ liệu, hay tắt bộ thu/phát sóng ra-đi-ơ sau khi đã hồn thành cơng việc, v.v.
2.1.2. Giải pháp tiết kiệm năng lượng trong điều khiển truy nhập môi trường truyền dẫn không dây truyền dẫn không dây
Theo kiến trúc phân tầng, ta có thể thay đổi các giao thức ở tầng liên kết dữ liệu hay tầng mạng cho mạng cảm biến và có chiến lược bảo tồn nguồn năng lượng. Ta có thể duy trì nguồn năng lượng bằng cách sử dụng các chế độ hoạt động tiết kiệm
năng lượng và dùng giới hạn thời gian trong các bản tin báo nhận. Ví dụ, các thiết bị khơng dây nên được tắt đi trong suốt thời gian nhàn rỗi. Ta có thể cải tiến các giao thức điều khiển truy nhập môi trường (Medium Access Control) như CSMA/CA, S- MAC (Sensor MAC), B-MAC (Berkeley-MAC) hoặc WiseMAC để nâng cao sử
dụng nguồn năng lượng một cách hiệu quả, kéo dài thời gian sống cho mạng [4, 96].
Điển hình là giao thức T-MAC (Time out MAC) [28], một cải tiến từ giao thức S-
MAC. TMAC kế thừa được các ưu điểm từ SMAC và TMAC đạt được hiệu quả sử dụng năng lượng tốt hơn SMAC bằng cách giảm thời gian nghe kênh truyền rỗi (Idle Listening) và xác định mềm dẻo khoảng thời gian hoạt động trong mỗi chu kỳ thức/ngủ (Active/Sleep). Tuy nhiên, T-MAC khó tránh khỏi việc lãng phí năng lượng do nghe thừa khi muốn mạng đạt đến thông lượng cực đại. Để khắc phục
nhược điểm này, Zhenzhou Tang và các cộng sự [103] đã đề xuất giao thức
ALLEE-MAC (An Adaptive Low Latency and Energy Efficient MAC Protocol) giao thức MAC hiệu quả năng lượng và độ trễ thấp thích ứng. ALLEE-MAC được thiết kế với hai lược đồ chính là lược đồ truyền dữ liệu liên tục và lược đồ ngủ sớm. Lược đồ truyền dữ liệu liên tục cho phép các nút gửi gói dữ liệu liên tục (gửi nhanh) khi hàng đợi tại giao diện đủ lớn, trong khi đó, lược đồ ngủ sớm giảm năng lượng
tiêu thụ của nút bằng cách cho nút vào chế độ ngủ ngay sau khi hoàn thành việc
truyền dữ liệu hay nó nhận thấy khơng có dữ liệu để truyền và khơng có nút nào
thức dự đốn thức giấc cho hiệu quả năng lượng PW-MAC (An Energy-Efficient
Predictive-Wakeup MAC Protocol for Wireless Sensor Networks) dựa trên lược đồ không đồng bộ chu kỳ ngủ/hoạt động. Theo lược đồ này, thời gian hoạt động của
nút được chia ra thành các chu kỳ không đồng bộ, mỗi chu kỳ chứa đựng hai
khoảng thời gian là khoảng thời gian ngủ và khoảng thời gian hoạt động. PW-MAC tối thiểu thời gian hoạt động của nút dựa trên việc dự đốn chính xác thời điểm nút nhận hoạt động để truyền dữ liệu tin cậy. Sau khi hoàn thành truyền dữ liệu, cả hai nút sẽ nhanh chóng đi vào chế độ ngủ để tiết kiệm năng lượng, kéo dài thời gian
sống của mạng.
2.1.3. Giải pháp tổng hợp dữ liệu
Trong mạng cảm biến không dây, các nút cảm biến quan sát môi trường và định kỳ gửi gói dữ liệu quan sát được tới BS, BS được kết nối với người dùng thông qua
Internet. Tổng hợp dữ liệu là quá trình xử lý dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau để loại bỏ dữ liệu dư thừa (trùng lặp), nâng cao chất lượng nguồn dữ liệu đo được,
giảm số bít cần truyền, và do đó giảm năng lượng tiêu thụ, mở rộng thời gian sống mạng WSN. Tổng hợp dữ liệu có thể được thực hiện ở các nút BS, CH hoặc ở ngay các nút cảm biến trước khi chúng gửi dữ liệu ra kênh truyền theo mơ hình mạng có cấu trúc phân bậc, ví dụ như mơ hình phân cụm (Hình 2.1), hoặc theo cấu trúc cây (Hình 2.2) hay theo mơ hình chuỗi (Hình 2.3 trang 38) [69].
Nút cảm biến Nút cụm trưởng
Hình 2.1 minh họa quá trình tổng hợp dữ liệu ở nút CH trong các cụm. Theo lược
đồ này, toàn bộ mạng cảm biến được chia thành các cụm khác nhau, mỗi cụm bầu
ra một nút cụm trưởng gọi là CH. CH chịu trách nhiệm thu nhận thông tin cảm biến
được từ các nút thành viên trong cụm sau đó thực hiện tổng hợp chúng với dữ liệu
nó cảm biến được rồi chuyển tiếp đơn chặng (trực tiếp) đến BS, các nút khác (nút
thành viên cụm) không gửi dữ liệu đến BS mà gửi trực tiếp tới nút CH của nó tương
ứng [69, 106].
Trạm cơ sở
Nút cảm biến Nút cụm trưởng thứ cấp Nút cụm trưởng
CH1 CH2
CH3
CH1 CH21 CH22 CH33
CH33
Hình 2.2: Tổng hợp dữ liệu theo mơ hình phân cụm đa chặng
Hình 2.2 minh họa quá trình tổng hợp dữ liệu theo cấu trúc hình cây nhiều tầng, nhiều CH, các nút cảm biến gửi dữ liêu đến nút cụm trưởng (cha) trực tiếp của nó, các nút CH tổng hợp dữ liệu rồi lại gửi đến nút cụm trưởng ở mức cao hơn, v.v. cứ như vậy cho đến khi BS nhận được dữ liệu của toàn bộ các nút trong mạng.