1.5.2.6 Ứng dụng trong quân đội
Vì các mạng cảm biến dựa trên cơ sở triển khai dày đặc với các nút giá rẻ và chỉ dùng một lần, việc bị địch phá huỷ một số nút không ảnh hưởng tới hoạt động chung như các cảm biến truyền thống nên chúng tiếp cận chiến trường tốt hơn. Một số ứng dụng của mạng cảm biến là: kiểm tra lực lượng, trang bị, đạn dược, giám sát chiến trường, trinh sát vùng và lực lượng địch, tìm mục tiêu, đánh giá thiệt hại trận đánh, trinh sát và phát hiện các vũ khí hóa học - sinh học - hạt nhân
1.5.2.7 Ứng dụng trong cơng nghiệp - tự động hóa
Đặc thù của giám sát và điều khiển công nghiệp là môi trường nhiễu lớn, khơng địi hỏi lượng lớn dữ liệu thơng tin được truyền tải nhưng yêu cầu rất cao về độ tin cậy và đáp ứng thời gian thực. Mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong lĩnh vực này chủ yêu phục vụ việc thu thập thông tin, giám sát trạng thái hoạt động của hệ thống, như trạng thái các van, trạng thái thiết bị, nhiệt độ và áp suất của nguyên liệu được lưu trữ, …
Bởi vì mạng khơng dây có thể sử dụng các thuật tốn định tuyến phân tán, có nhiều đường định tuyến, và có thể tự chữa trị và tự duy trì, chúng có thể co giãn trong mặt ngồi của q trình bùng nổ hoặc các thiệt hại khác đến máy công nghiệp, cung cấp các thẩm quyền với thông tin trạng thái máy quyết định dưới các điều kiện rất khó.
Kết luận Chương 1
Chương này đã giới thiệu tổng quan về kiến trúc mạng cảm biến không dây và các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực dân sự, quân sự, y tế, mơi trường... Đồng thời, chương này cũng trình bày được những vấn đề cần giải quyết của giao thức lớp MAC cũng như tầm quan trọng của việc tối ưu năng lượng trong mạng cảm biến khơng dây. Qua đó ta thấy rõ được tầm quan trọng của các mạng cảm biến với cuộc sống, sự phát triển nhanh chóng của cơng nghệ này sẽ hứa hẹn thêm nhiều ứng dụng mới của mạng cảm biến không dây.
CHƯƠNG 2: CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN, ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP CỦA LỚP MAC NHẰM TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG WSNs. 2.1. Tiết kiệm năng lượng ở lớp mạng trong WSN.
Trong WSN lớp mạng thực hiện việc định tuyến dữ liệu được cung cấp bởi lớp truyền tải. Định tuyến trong mạng cảm biến khơng dây có một số khác biệt so với định tuyến trong mạng cố định. Liên kết không dây là khơng tin cậy, nút cảm biến có thể bị lỗi, và giao thức định tuyến phải đối mặt với yêu cầu nghiêm ngặt về tiết kiệm năng lượng. Vì vậy một giao thức định tuyến thiết kế cho mạng cảm biến để đạt được yêu cầu tiết kiệm năng lượng phải đáp ứng được các tiêu chí sau:
Thứ nhất phải tránh được sự xung đột khi truyền các gói tin trong mạng làm giảm các gói tin phải truyền lại do bị hỏng dẫn đến phát sinh tiêu hao năng lượng.
Thứ hai phải giảm thiểu thời gian nghe khi rỗi và tránh nghe thừa gây tiêu hao năng lượng.
Và cuối cùng giao thức phải xử lý gói tin điều khiển hiệu quả bởi việc gửi, nhận và nghe những gói tin điều khiển cũng gây tiêu hao năng lượng
Có nhiều giao thức định tuyến được phát triển cho mạng cảm biến không dây và có thể phân thành bốn loại: định tuyến dựa trên vị trí, định tuyến phẳng, định tuyến phân cấp và định tuyến dựa trên QoS.
Định tuyến phẳng: trong định tuyến phẳng mỗi nút cảm biến thực hiện gửi
dữ liệu của nó về trung tâm độc lập với tất cả các nút khác. Tuy nhiên, trong các giao thức định tuyến phẳng, khi các nút nguồn gửi dữ liệu của nó về trung tâm, những nút trung gian có thể thực hiện một số dạng tổng hợp dữ liệu từ nhiều nguồn và gửi dữ liệu tổng hợp về trung tâm. Q trình này có thể giúp tiết kiệm năng lượng do yêu cầu ít phiên truyền hơn để gửi dữ liệu từ các nguồn về trung tâm. Các giao thức SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation), EAR (Energy Aware Routing), Direct Diffusion, Rumor Routing… được xếp vào loại giao thức này. Với cấu trúc mạng đơn giản của định tuyến phẳng, họ giao thức này cho thấy một số ưu điểm như là giảm số bản tin điều khiển sử dụng. Ưu điểm là đơn giản, dễ dàng triển khai cho nhiều loại ứng dụng, số lượng bản tin ít. Nhược điểm là dữ liệu
sinh ra không được quản lý, mức độ dư thừa dữ liệu lớn dẫn đến tiêu hao năng lượng nhiều để truyền dữ liệu về trung tâm.
Định tuyến dựa trên vị trí : là họ giao thức sử dụng vị trí chính xác của nút
cảm biến để chọn tuyến đường. Vị trí địa lý của nút cảm biến có thể được lấy trực tiếp sử dụng thiết bị định vị GPS hoặc gián tiếp thông qua trao đổi dữ liệu về cường độ tín hiệu nhận được ở mỗi nút. Tuy nhiên do việc định vị đòi hỏi thiết bị phần cứng chuyên biệt và làm tăng chi phí tính tốn cho nút cảm biến, cách tiếp cận này thực sự không dễ dàng thực hiện do giới hạn về tài nguyên trong mạng cảm biến. GEAR (Geographic an Energy Aware Routing) và GAF (Geographic Adaptive Fidelity) là hai giao thức định tuyến sử dụng vị trí điển hình. Ưu điểm là có thể tìm được tuyến đường tối ưu. Nhược điểm là khả năng ứng dụng thực tế với quy mô lớn là khơng cao do chi phí của thiết bị định vị cùng với vấn đề năng lượng tiêu hao cho thực hiện định vị.
Định tuyến phân cấp: được đưa ra với mục tiêu tăng cường khả năng thích
nghi và tiết kiệm năng lượng cho mạng thông qua việc phân nhóm các nút cảm biến. Trong nhóm giao thức này, các nút sẽ được phân thành các nhóm và một nút với nhiều tài nguyên trong mỗi nhóm sẽ giữ vai trị làm nhóm trưởng. Mỗi nhóm trưởng chịu trách nhiệm xử lý dữ liệu nhận được từ các thành viên trong nhóm, giao tiếp với các nhóm trưởng khác và với điểm thu thập dữ liệu. Ngược lại, tất cả các nút thành viên trong nhóm cùng thực hiện cảm biến mơi trường và chuyển dữ liệu thu thập được tới nhóm trưởng. Các tiếp cận này tuy tăng khả năng thích nghi cho mạng tuy nhiên hoạt động phân nhóm và thay thế nhóm trưởng (với mục tiêu phân phối đều năng lượng) làm tăng số lượng bản tin điều khiển phải sử dụng. Có 2 hướng tiếp cận khác nhau trong nhóm các giao thức phân cấp để thu thập dữ liệu là: liên tục theo thời gian và theo sự kiện. Có nhiều giao thức phân cấp sử dụng cách thu thập liên tục theo thời gian đã được giới thiệu như: LEACH, TEEN, HEED, PEGASIS. Trong phương pháp thu thập dữ liệu liên tục theo thời gian, dữ liệu cảm biến được định kỳ gửi về trạm gốc, trái lại trong phương pháp thu thập dữ liệu liên tục theo sự kiện, dữ liệu cảm biến được gửi về BS mỗi khi có sự kiện được phát hiện. Các giao thức sử dụng phương pháp hướng sự kiện như APPEES, EMRP
Phương pháp theo sự kiện tỏ ra hiệu quả hơn trong việc tiết kiệm năng lượng, cân bằng năng lượng và tuổi thọ mạng do chỉ hoạt động khi có sự kiện xảy ra, nếu khơng có sự kiện thì các nút ở trạng thái ngủ để tiết kiệm năng lượng. Ưu điểm là tiết kiệm năng lượng, khả năng mở rộng cao, giảm dư thừa dữ liệu. Nhược điểm: khá phức tạp, lượng bản tin điều khiển nhiều.
Định tuyến theo QoS: bên cạnh yêu cầu tối thiểu hóa năng lượng tiêu hao,
một yếu tố quan trọng khác cần phải quan tâm là yêu cầu về chất lượng dịch vụ như độ trễ, độ tin cậy, tính chịu lỗi trong định tuyến trong mạng cảm biến không dây WSN. SAR (Sequential Assignment Routing), SPEED, Energy Aware QoS Routing Protocol là những giao thức trong nhóm này, chúng được thiết kế để đạt được sự cân bằng giữa năng lượng tiêu hao và các yêu cầu về QoS. Ưu điểm là quan tâm đáp ứng yêu cầu của ứng dụng. Nhược điểm là cần cân bằng giữa yếu tố năng lượng và chất lượng dịch vụ.
Từ các kết quả nghiên cứu thử nghiệm cho thấy định tuyến phân cấp theo sự kiện có khả năng ứng dụng thực tế cao, phù hợp với nhiều loại ứng dụng cảm biến, đáp ứng tốt các yêu cầu của giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây. Các nghiên cứu gần đây trong lĩnh vực mạng cảm biến không dây cũng tập trung nhiều vào định tuyến phân cấp hướng sự kiện.
2.2. Giao thức ARPEES. 2.2.1. Đặc điểm 2.2.1. Đặc điểm
Giao thức ARPEES (Adaptive Routing Protocol with Energy-Efficiency and Event-Clustering for Wireless Sensor Networks) là một giao thức định tuyến phân cụm theo sự kiện thích ứng hiệu quả năng lượng trong mạng cảm biến không dây [1]. Nét đặc trưng trong thiết kế giao thức ARPEES là đáp ứng thích nghi giữa tối ưu hóa năng lượng, phân cụm theo sự kiện, và truyền tải đa nút. Mục tiêu của giao thức là tìm ra tuyến đường truyền tải tối ưu cho dữ liệu đã được tập hợp tới trạm gốc có tính đến quan hệ giữa lượng năng lượng cịn lại (tối ưu hóa) của nút chuyển giao và khoảng cách từ nút chuyển giao tới trạm gốc (tuyến đường ngắn nhất). Năng lượng và khoảng cách được dùng làm 2 tham số cho việc lựa chọn tuyến đường truyền tải. Các thơng số chi phí của giao thức như sau:
- Năng lượng tiêu thụ và cân bằng tải: mục tiêu là giảm tiêu thụ năng lượng ở các nút có phần năng lượng dự trữ thấp hơn bằng cách phân tán năng lượng tiêu thụ cho việc tập hợp,thu thập dữ liệu, truyền tải cho các nút khác nhau
- Cách tiếp cận động và phân tán: xây dựng thuật toán phân cụm phân tán theo yêu cầu, trong đó các thơng số được cảm biến của sự kiện hay đối tượng được sử dụng để phân cụm. Một nút có thể đưa ra quyết định mà khơng cần có sự điều khiển tập trung. Với phương thức phân cụm động theo sự kiện, các cụm được tạo thành dựa trên địa điểm và thời gian sự kiện xảy ra trong mơi trường. Do đó, kích thước của phần hoạt động trong mạng sẽ biến thiên và số lượng cụm không phụ thuộc vào số lượng các nút trong mạng. Thêm vào đó phương thức này giúp tiết kiệm năng lượng bởi chỉ một phần của mạng được kích hoạt phản ứng lại một sự kiện.
- Tuyến đường tối ưu: số lượng các nút trung gian trên đường truyền hoặc chi phí liên kết được sử dụng làm thơng số chi phí để chọn ra tuyến đường tối ưu.
- Khả năng thích ứng: khả năng này có nghĩa giao thức có khả năng đáp ứng tốt cho các ứng dụng lớn với sự thay đổi nhanh của topo mạng chống lại lỗi liên kết. Việc thêm vào các nút mới thay thế cho các nút lỗi không nên ảnh hưởng đến mạng đang hoạt động.
- Kiểm soát overhead: giao thức phải tối thiểu hóa các trao đổi điều khiển cần thiết cho việc phân cụm, lựa chọn cụm trưởng và xử lý trên nút chuyển giao.
- Tối ưu hóa: tuyến đường lựa chọn bởi giao thức có ảnh hưởng tới hiệu năng mạng về độ trễ, lưu lượng thực và độ tiết kiệm năng lượng. Để đạt tối ưu hóa giao thức cần phải tính tốn tới năng lượng pin, bộ nhớ, băng thông…Hoạt động của ARPEES được chia thành các vòng, mỗi vòng bao gồm 2 pha được thể hiện trong hình 2:1 pha thành lập cụm và lựa chọn cụm trưởng theo sau bởi pha truyền tải dữ liệu trong đó dữ liệu được truyền tới trạm gốc qua các nút chuyển giao.
2.2.2. Hai pha hoạt động
a. Pha thành lập cụm và thuật toán lựa chọn cụm trưởng:
Ban đầu, tất cả các nút mạng ở trạng thái nghỉ để tiết kiệm năng lượng. Khi một sự kiện được phát hiện trong mạng, các nút gần vị trí xảy ra sự kiện được kích
hoạt và sẽ tiến hành đo đạc thuộc tính đã được chỉ định cảm biến. Nếu giá trị nhân tố cảm biến cao hơn mức ngưỡng định trước, các nút đó sẽ thực thi thuật tốn để nhóm cụm và chọn cụm trưởng. Các nút quảng bá gói tin REQ_CLUSTER tới các nút hàng xóm. Bản tin này bao gồm ID của nút, mức năng lượng cịn lại và thơng tin mô tả dữ liệu cảm biến được sự kiện:
REQ _ CLUSTER{ID(i), ERRes (i)}
Sau đó các nút sẽ đặt bộ đếm thời gian tới t1. Trong khoảng thời gian t1, mỗi nút sẽ nhận bản tin REQ_CLUSTER từ tất cả các nút trong cụm và thực thi hàm chọn Cluster_Head như sau:
FCH (i) ERe s (i) I (i), j Y
MaxFCH (i) Cluster_Head (2.1)
Trong đó X là tập các nút được kích hoạt bởi sự kiện. Khi khoảng thời gian t1 kết thúc, nút có giá trị FCH(i) lớn nhất sẽ tự bầu nó làm cụm trưởng. Cụm trưởng sẽ lưu trữ ID của tất cả các nút trong tập các nút được kích hoạt X, và lập 1 lịch TDMA để sắp xếp cho từng nút lần lượt gửi dữ liệu tới cụm trưởng. Chức năng của lịch là tránh việc xung đột trong truyền tải dữ liệu và đồng bộ hóa giữa các nút bên trong cụm. Các nút cịn lại tự đặt mình làm nút thành viên và chờ đợi để nhận lịch TDMA từ cụm trưởng. Với lịch đã được sắp xếp, các nút có thể tắt các thành phần thu nhận tín hiệu ngoại trừ trong khoảng thời gian truyền tải dữ liệu như hình 2.1.
Trang 38
Hình 2.2: Thành cụm dựa trên sự kiện và thuật toán lựa chọn cụm trưởng Trong hình 2.2a: nút từ N1 đến N9 xác định sự kiện và chuyển sang trạng Trong hình 2.2a: nút từ N1 đến N9 xác định sự kiện và chuyển sang trạng thái hoạt động sau đó quảng bá các bản tin REQ_CLUSTER để trao đổi thông tin.
Ở hình 2.2b: chúng ta chỉ minh họa nút N2 và N5 quảng bá dữ liệu.
Hình 2.2c: nút N5 trở thành cụm trưởng và quảng bá bản tin về lịch TDMA tới các nút trong mạng.
Hình 2.2d: các thành viên trong cụm lần lượt gửi dữ liệu cảm biến về cụm trưởng theo những khe thời gian sắp xếp trong lịch.Thuật toán ở đây đảm bảo nút với mức năng lượng còn lại lớn nhất và gần nhất với sự kiện xảy ra được lựa chọn làm cụm trưởng. Thêm nữa chúng ta chỉ sử dụng một loại bản tin để tạo cụm và chọn cụm trưởng. Do đó có thể làm giảm số lượng các bản tin điều khiển gây ra overhead đồng thời giản lượng dữ liệu truyền tải từ các nút tới cụm trưởng (sẽ được mô tả ở pha sau) bởi cụm trưởng là nút ở gần sự kiện và đã thu thập được sẵn nhiều dữ liệu hơn các nút ở xa sự kiện
b. Pha thu thập dữ liệu
Ở pha này chúng ta sử dụng các nút trung gian để chuyển tiếp các gói tin từ cụm trưởng tới trạm gốc. Các nút trung gian này lần lượt phải quyết định hàng xóm nào sẽ nhận gói tin chuyển tiếp. Pha truyền dữ liệu bao gồm ba hoạt động chính:
Thu thập dữ liệu bên trong cụm:
Sử dụng lịch TDMA, mỗi nút cảm biến chuyển các thông tin cảm biến tới cụm trưởng trong khe thời gian truyền dữ liệu đã được định trước. Một cách đơn giản nhất để tiết kiệm năng lượng là tắt bộ thu nhận khi khơng trong q trình truyền tải. Cụm trưởng bắt buộc phải liên tục nhận dữ liệu từ các nút trong cụm. Một vấn đề cốt lõi ở đây là các nút cảm biến được nhón lại thành cụm bao quanh sự kiện: việc truyền tải sẽ tiêu tốn mức năng lượng thấp nhất do khoảng cách giữa cụm trưởng và các nút cảm biến là nhỏ. Một vấn đề khác ở đây là độ ưu tiên của mỗi nút trong lịch TDMA. Như đã đề cập trước đó, mỗi cụm trưởng có thơng tin về mơ tả dữ liệu trong bản tin của tất cả các nút khác thuộc cụm - I(i). Nhờ đó nó có thể sắp xếp thứ tự và khoảng thời gian cho từng nút truyền tải dữ liệu. Nút có nhiều mơ tả dữ liệu sẽ truyền tải trước với nhiều khe thời gian hơn các nút khác. Theo sự sắp