1. Các đóng góp mới
Luận án đã nghiên cứu và đề xuất một số giao thức định tuyến đa chặng tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến không dây bằng cách giảm thiểu số bản tin định tuyến, sử dụng năng lượng còn lại của nút cảm biến,sử dụng điều khiển công suất trong quá trình tìm đường. Các kết quả mô phỏng cho thấy các giao thức đề xuất đều thu được kết quả tiết kiệm năng lượng và thông lượng mong muốn, trong khi các thông số khác như tỷ lệ mất gói, độ trễ không bị ảnh hưởng. Luận án cũng đề xuất một phương thức thực hiện thuật toán ước lượng bộ lọc chất điểm mới. Các kết quả mô phỏng cho thấy phương thức mới khi triển khai trên các thuật toán SIS, SIR, GPF cho kết quả ước lượng tốt hơn phương thức SIS-Dis trong khi thông số độ trễ vẫn đảm bảo. Với các giao thức định tuyến đa chặng đạt được, kết hợp cùng thuật toán ước lượng, dự đoán bộ lọc chất điểm, luận án đề xuất mô hình giám sát vùng. Tức là các nút cảm biến thu thập thông tin về đối tượng, sử dụng giao thức định tuyến đa chặng gửi thông tin về trạm, trạm sử dụng các thuật toán dự đoán tính toán ước lượng vị trí trong tương lai của đối tượng sau đó điều kiển bật các nút xung quanh vị trí dự đoán, tắt các nút còn lại, từ đó tiết kiệm năng lượng trên toàn bộ mạng. Kết quả mô phỏng cho thấy năng lượng trên toàn bộ mạng giảm đáng kể đồng thời số lượng gói tin dư thừa trong mạng cũng giảm đáng kể trong khi kết quả theo dõi vẫn đảm bảo.
Các kết quả đạt được của luận án có thể chia thành 2 nhóm chính như sau:
Các kết quả về nghiên cứu thiết kế giao thức định tuyến tiết kiệm năng lƣợng
- Định tuyến tiết kiệm năng lượng bằng kỹ thuật giảm thiểu gói tin dư thừa. Ở mục này,
luận án đã nghiên cứu và thay đổi kỹ thuật gửi bản tin tìm đường RREQ trong quá trình định tuyến nhằm hạn chế số bản tin gửi trên mạng cũng như các nút mạng tham gia quá trình tìm kiếm. Vẫn sử dụng kỹ thuật tìm kiếm mở rộng vòng như giao thức đã có ERS, giao thức mới EERS sử dụng các thông tin trong bản tin tìm đường RREQ để xác định nút mạng sẽ tiếp tục tham gia cũng như nút mạng sẽ không tham gia quá trình tìm kiếm. Các kết quả mô phỏng cho thấygiao thức mới EERS thu được kết quả tốt hơn trong việc sử dụng hiệu quả năng lượng, kéo dài thời gian sống của mạng khi so sánh với các giao thức truyền thống AODV, ERS. Trong khi đó các thông số khác của
118
mạng như thông lượng truyền dữ liệu, tỷ lệ truyền gói tin thành công không bị ảnh hưởng. Có một số trường hợp hai thông số này kém hơn nhưng không nhiều, vẫn đảm bảo hoạt động của mạng.
- Định tuyến tiết kiệm năng lượng sử dụng thông số năng lượng nút cảm biến. Trong
phần này luận án đã trình bày hai giao thức định tuyến mới RDC và ABR. Giao thức định tuyến RDC sử dụng cách thức tính chi phí đường đi mới để chọn đường đi vừa đảm bảo ngắn lại cân bằng được năng lượng giữa các nút cảm biến. Từ đó chọn được đường có chứa các nút cảm biến có năng lượng đảm bảo hoạt động, tăng cường độ ổn định của tuyến đường. Giá trị chi phí đường đi này được tính theo công thức:
(4.1)
Với giao thức ABR, giá trị chi phí đường đi vẫn được giữ nguyên như AODV, tức là bằng bước nhảy mạng (hopcount). Tuy nhiên giao thức này bổ sung thêm điều kiện năng lượng khi chọn đường. Chỉ những tuyến đường có năng lượng còn lại của các nút mạng tham gia lớn hơn ngưỡng năng lượng quy định mới được lựa chọn. Do đó giao thức loại bỏ được các tuyến đường có chứa các nút năng lượng yếu, từ đó kéo dài thời gian hoạt động của nút cảm biến, kéo dài tuổi thọ của mạng.
Các mô phỏng cho thấy cả hai giao thức đề xuất RDC và ABR đều thu được kết quả tốt trong việc sử dụng hiệu quả năng lượng, kéo dài thời gian sống của mạng. Các thông số đánh giá khác như thông lượng mạng, tỷ lệ truyền gói tin thành công có thay đổi nhưng không nhiều, vẫn đảm bảo hoạt động của mạng.
- Định tuyến điều khiển công suất. Trong phần này luận án nghiên cứu và đề xuất giao
thức định tuyến mới kết hợp với điều khiển công suất. Thông thường, khi truyền dữ liệu các nút cảm biến thường truyền với công suất lớn nhất, chúng không quan tâm tới khoảng cách giữa các nút cảm biến để truyền cho phù hợp, gây dư thừa công suất truyền, sử dụng năng lượng không hiệu quả. Với nghiên cứu này, luận án đã trình bày một kỹ thuật điều khiển công suất dựa trên các bản tin định tuyến. Các giá trị công suất được trao đổi thông qua bản tin định tuyến giúp các nút cảm biến xác định được mức công suất truyền tới từng nút lân cận một cách phù hợp. Bên cạnh việc điều khiển công
119
suất, luận án cũng thay đổi cách thức tính chi phí đường đi nhằm chọn đường tốt nhất dựa vào cả hai tiêu chí bước nhảy mạng và công suất truyền của nút cảm biến. Chi phí đường đi này được tính theo công thức:
(4.2)
Với {
Công thức này đã được trình bày chi tiết trong mục 2.3.2. Giá trị công suất truyền (Ptx_AB) và mức năng lượng còn lại của nút (LPsent) được đưa vào công thức. Do đó tuyến đường được chọn đảm bảo được tiêu chí ngắn, có mức năng lượng sử dụng thấp và các nút tham gia tuyến đường có năng lượng đủ lớn. Với cách sử dụng giá trị chi phí đường đi mới này, giao thức định tuyến đề xuất đã chọn được đường đi sử dụng tối ưu năng lượng, cân bằng năng lượng giữa các nút cảm biến và kéo dài thời gian hoạt động của mạng.
Các mô phỏng cho thấy giao thức định tuyến sử dụng điều khiển công suất đề xuất có kết quả sử dụng năng lượng tốt hơn, thời gian hoạt động của mạng được kéo dài. Các thông số thông lượng mạng, tỷ lệ mất gói phần lớn các trường hợp đạt kết quả tốt hơn. Trong một vài trường hợp các thông số này giảm nhưng không nhiều. Vẫn đảm bảo hoạt động của mạng cảm biến.
Như vậy, với các kỹ thuật giảm thiểu gói tin dư thừa, kỹ thuật thay đổi cách thức tính chi phí đường đi, kỹ thuật sử dụng rằng buộc năng lượng nút cảm biến, luận án đã nghiên cứu và đề xuất bốn giao thức định tuyến mới tiết kiệm năng lượng kéo dài thời gian sống của mạng. Đó là giao thức tìm kiếm mở rộng vòng tối ưu EERS, giao thức tìm đường hai điều kiện RDC, giao thức loại bỏ tuyến đường xấu ABR và giao thức định tuyến điều khiển công suất PRP. Các mô phỏng trên NS2 chỉ ra các giao thức đề xuất đều thu được kết quả sử dụng năng lượng tốt, các thông số khác của mạng thay đổi không nhiều. Tuy nhiên do điều kiện không cho phép nên các giao thức này chưa được chạy thử nghiệm trên thiết bị thật. Trong các nghiên cứu tiếp theo tác giả cần chạy thử nghiệm thực tế để có khẳng đinh toàn diện về tính tối ưu năng lượng của các giao thức đề xuất.
120
Các kết quả về ƣớc đoán vị trí và ứng dụng giám sát theo vùng trong mạng cảm biến không dây
Các thuật toán dự đoán vị trí đối tượng đã được nghiên cứu và phát triển từ khá lâu. Từ các thuật toán ban đầu như Kalman đến các thuật toán dự đoán chính xác hơn như Kalman mở rộng (Extended Kalman) và bộ lọc chất điểm (Particle Filter). Chương 3 của luận án đã nghiên cứu và mô phỏng lại thành công các thuật toán dự đoán vị trí đối tượng. Đồng thời đề xuất phương thức mới trong triển khai thuật toán bộ lọc chất điểm. So sánh khả năng dự đoán của các thuật toán với các thông số khác nhau. Từ đó lựa chọn được thuật toán phù hợp và tốt nhất cho ứng dụng giám sát đối tượng trong mạng cảm biến không dây.
Đề xuất phương pháp thực hiện bộ lọc chất điểm mới
Thuật toán bộ lọc chất điểm có ba pha cơ bản sau: Khởi tạo N chất điểm, lan truyền chất
điểm và tính toán trọng số mới (cập nhật trọng số). Chi tiết hoạt động của các pha như sau: - Pha khởi tạo chất điểm: định nghĩa mới về đám mây chất điểm. Cách thức khởi tạo đám mây chất điểm dựa vào trạng thái ban đầu của đối tượng.
- Pha lan truyền chất điểm: luận án đề xuất mộtkỹ thuật lan truyền chất điểm dựa theo lý thuyết SIS là sử dụng hàm | . Từ hàm | tính ra một vector độ dời
⃗. Việc lan truyền chất điểm lúc này tương đương với việc di chuyển đám mây chất điểm theo
vector ⃗. Do vậy cách lấy mẫu | là rất phù hợp cho WSN.
- Pha tính toán trọng số: Công việc tiếp theo của lan truyền chất điểm là việc tính toán trọng số mới cho các chất điểm. Sử dụng công thức (3.68), sau khi thực hiện xong bước lan truyền chất điểm, ta có liên kết và . Công việc còn lại là tính toán hàm . Cách thực hiện như sau:
( | ) ∏ | (4.3)
Trong đó ( | ) , là hàm phi tuyến của giá trị
| | và trong hầu hết giá trị của diff, và diff chuyển đổi cho nhau.
121
đồng thời vẫn đảm bảo thông số độ trễ khi so sánh với phương thức sẵn có.
Ứng dụng giám sát đối tượng trong mạng cảm biến không dây trình bày trong luận án gồm hai ứng dụng
- Ứng dụng giám sát toàn mạng. Trong ứng dụng này, tất cả các nút cảm biến đều ở trạng thái hoạt động liên tục. Khi có đối tượng di chuyển vào vùng cảm biến, tất cả các nút cảm biến đều thu thập thông tin và gửi về trạm. Tại trạm các thông tin này được phân tích và lấy ra các thông tin cần thiết về đối tượng. Trong ứng dụng này, không cần sử dụng thuật toán dự đoán vị trí đối tượng.
- Ứng dụng giám sát theo vùng. Trong ứng dụng này, chỉ có một số lượng nhỏ các nút
cảm biến hoạt động thu thập thông tin đối tượng. Khi có đối tượng di chuyển vào vùng cảm biến, các nút cảm biến thu thập thông tin đối tượng và gửi về trạm. Tại trạm thông tin này được phân tích và lấy ra các thông tin cần thiết về đối tượng. Ngoài ra, từ các thông tin nhận được trạm chạy thuật toán dự đoán vị trí đối tượng và cho vị trí tiếp theo của đối tượng trong tương lai. Từ đó trạm phát thông tin điều khiển bật các nút cảm biến xung quanh vị trí tiếp theo của đối tượng đã dự đoán và tắt các nút cảm biến còn lại. Do đó ứng dụng này chỉ có một số lượng nhỏ các nút cảm biến trong vùng quan sát hoạt động nên được gọi là ứng dụng giám sát theo vùng. Nếu việc dự đoán bị sai, vùng cảm biến sẽ bị mất thông tin của đối tượng trong một thời gian, và tất cả các nút cảm biến phải được bật trở lại để xác định lại vị trí đối tượng, khởi động lại quá trình quan sát và dự đoán của ứng dụng. Do đó thuật toán dự đoán chạy tại trạm là cực kỳ quan trọng. Trong ứng dụng này luận án sử dụng thuật toán bộ lọc chất điểm.
- Các mô phỏng cho thấy, trong tất cả các trường hợp, ứng dụng giám sát theo vùng đều
thu được kết quả sử dụng năng lượng tối ưu hơn ứng dụng giám sát toàn mạng. Khi số lượng nút cảm biến càng lớn, kích thước mạng càng lớn thì kết quả sử dụng năng lượng này càng hiệu quả hơn. Đồng thời, do một số lượng nhỏ các nút cảm biến hoạt động tập trung dữ liệu gửi về trạm nên lưu lượng dữ liệu gửi về trạm cũng giảm đáng kể, làm tăng khả năng sử dụng hiệu quả băng thông đường truyền của ứng dụng. Tuy nhiên, cũng giống như các kết quả về thiết kế giao thức định tuyến, do điều kiện không cho phép, hai ứng dụng giám sát này chưa được thử nghiệm thực tế để đánh giá. Trong
122
các nghiên cứu tiếp theo tác giả cần chạy thử nghiệm để ứng dụng các kết quả nghiên cứu vào phục vụ đời sống.
Với các mục tiêu đề ra của luận án: Thiết kế các giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng, xây dựng ứng dụng giám sát đối tượng tiết kiệm năng lượng. Luận án đã nghiên cứu, mô phỏng thành công và đạt được các mục tiêu đề ra với bốn giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng, một phương thức thực hiện bộ lọc chất điểm mới và một ứng dụng giám sát đối tượng theo vùng tiết kiệm năng lượng. Các kết quả nghiên cứu đã được công bố và công nhận trong các hội nghị và tạp chí quốc tế.