Vấn Đề Tối Ưu Năng Lượng Trong Mạng Cảm Biến Không Dây

Vấn đề di động có thể gặp phải trong một số ứng dụng của mạng cảm biến không dây. Các nút cảm biến có thể cố định hoặc di động. Do đó, việc định tuyến các bản tin trở nên phức tạp hơn. Ngoài ra, trong một số trường hợp các nút gốc có thể di chuyển và điều này cũng cần phải tính đến khi thiết kế các mô hình định tuyến.

Với lớp MAC của mạng WSNs, các thách thức cần giải quyết mà dẫn tới lãng phí năng lượng và giảm thời gian sống của mạng cảm biến không dây, cụ thể là:

- Nghe nhàn rỗi: Một nút không biết khi nào sẽ nhận được gói tin. Vì vậy, nó phải duy trì Nghe nhàn rỗi trong trạng thái sẵn sàng thức, như chức năng công tác phân tán DCF (Distributed Coordination Function) của mạng cục bộ không dây. Chế độ này tiêu thụ rất nhiều năng lượng, gần như là cả quá trình nhận. Năng lượng này sẽ lãng phí nếu không có bất kỳ trao đổi truyền thông trên kênh truyền này. Và trong mạng cảm biến không dây thì kênh này hầu hết là nhàn rỗi. Bởi vậy, việc nghe bị động là lý do chính của việc tốn năng lượng.

- Xung đột: Sự xung đột xảy ra khi một hay nhiều nút mạng nhận được đồng thời các tín hiệu từ nhiều nguồn khác nhau trong cùng một khoảng thời gian. Khi sự xung đột xảy ra thì năng lượng cung cấp cho việc truyền nhận gói tin sẽ bị tiêu phí. Cũng cần lưu ý rằng, mặc dù có giao thức MAC không sinh ra bất kỳ xung đột nào như các giao thức MAC dựa trên phương pháp TDMA (Time Division Multiple Access). Nhưng, các giao thức MAC có chấp nhận xung đột đang ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong mạng đa chặng bởi sự đơn giản và khả năng của chúng trong việc xử lý không tập trung.

- Nghe lỏm: Xảy ra khi một nút nhận các gói tin mà nó không yêu cầu hoặc được phát dư thừa.

- Thông tin điều khiển: Có thể một vài nguồn tiêu tốn năng lượng như sự mất năng lượng tại thời điểm truyền và nhận gói tin điều khiển. Chú ý rằng, lưu lượng được tạo ra bởi khung điều khiển trong mạng cảm biến là không đáng kể.

- Kích thước gói tin: Kích thước của các thông điệp có ảnh hưởng tới sự tiêu thụ năng lượng của các nút phát và nhận. Do đó, kích thước của các gói tin không nên quá to và cũng không quá nhỏ. Bởi vì, nếu kích thước gói tin là nhỏ thì số gói tin điều khiển sẽ tăng và sẽ làm tăng chi phí truyền thông. Ngược lại, khi gói tin lớn, thì lượng truyền tải lớn và cũng làm tăng chi phí cho truyền thông.

- Biến động lưu lượng: Sự biến động về lưu lượng có thể dẫn đến sự lãng phí năng lượng dự trữ của một nút. Do đó, các giao thức nên thích nghi với lưu lượng biến động trong quá trình truyền thông.

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 97 trang tài liệu này.

1.7. Vấn đề tối ưu năng lượng trong mạng cảm biến không dây

Trong mạng cảm biến không dây, việc tối ưu năng lượng tiêu thụ sẽ giúp cho việc kéo dài thời gian sống của mạng, cũng như mỗi nút cảm biến. Bởi vậy, vấn đề tối ưu năng lượng trong mạng cảm biến không dây cần quan tâm đến những nội dung sau:

- Tiết kiệm năng lượng ở lớp vật lý: Sử dụng thiết bị phần cứng có công suất thấp như thiết bị thu phát không dây, các cảm biến được tích hợp,… Đồng thời, cần sử dụng phương pháp điều chế số như QPSK, FSK, cũng như kỹ thuật sửa lỗi, kỹ thuật giảm nhiễu vô tuyến,…

- Tiết kiệm năng lượng ở lớp MAC: Sử dụng kỹ thuật đa truy cập TDMA, CSMA-CA hiệu chỉnh nhằm mục đích giảm thiểu năng lượng tiêu thụ của lớp này.

- Tiết kiệm năng lượng trong kỹ thuật định tuyến: Theo thống kê có tới 70% năng lượng được tiêu thụ trong quá trình truyền thông của mạng cảm biến không dây. Bởi vậy, việc xác định được đường đi tối ưu hay kỹ thuật định tuyến tối ưu sẽ giúp cho việc tối ưu được năng lượng tiêu thụ của mạng cảm biến không dây.

- Tiết kiệm năng lượng trong quản lý bảo mật: Sử dụng cơ chế bảo mật tối ưu, quản lý khóa bảo mật khi một nút từ bỏ mạng cảm biến không dây, hoặc quản lý một nhóm những nút trong mạng bắt đầu trao đổi thông tin với nhau sao cho hiệu quả nhất, cần ít bản tin trao đổi nhất. Từ đó sẽ tiết kiệm được năng lượng tiêu thụ của mạng.

1.8. Các ứng dụng hệ thống mạng cảm biến không dây [5]

1.8.1. Ứng dụng trong nông nghiệp, lâm nghiệp

Mạng cảm ứng có thể được triển khai trên các khu vực rừng, đồng ruộng rộng lớn để đưa ra các cảnh báo và hành động kịp thời. Trong nông nghiệp, các nút cảm biến có thể được gắn vào các hạt giống để kiểm tra độ ẩm trong đất, sự tăng trưởng của cây. Các hệ thống mạng cảm biến không dây được ứng dụng ngày càng phổ biến ở nước ta và trên thế giới. Hệ thống mạng cảm biến này sẽ hỗ trợ cho nông dân thu thập thông số môi trường trên diện tích rộng lớn một cách nhanh chóng và chính xác. Các tham số này có thể là độ ẩm đất, độ ẩm môi trường, nhiệt độ, ánh sáng, chất dinh dưỡng,….

Hình 1.5: Ứng dụng hệ thống cảm biến không dây trong nông nghiệp

1.8.2. Ứng dụng trong y tế

Các nút cảm biến có thể được gắn vào cơ thể, ví dụ như ở dưới da để đo các thông số của máu, nhịp tim,… Từ đó, hệ thống cảm biến sẽ xử lý và đưa ra những cảnh báo và phát hiện sớm các bệnh như ung thư, nhờ đó việc chữa bệnh sẽ dễ dàng hơn. Trên thực tế, đã tồn tại những video sensor rất nhỏ có thể nuốt vào trong người, dùng một lần và được bọc vỏ hoàn toàn, nguồn nuôi của thiết bị này đủ để hoạt động trong 24 giờ. Trong thời gian đó, chúng gửi hình ảnh về bên trong con người sang một thiết bị khác mà không cần phải phẫu thuật. Các bác sĩ có thể dựa vào đó để chuẩn đoán và điều trị.

1.8.3. Ứng dụng trong giám sát môi trường

Một số ứng dụng môi trường của mạng cảm biến không dây là dùng để theo dõi sự di cư của các loài chim, các động vật nhỏ, các loại côn trùng, theo dõi điều kiện môi trường mà ảnh hưởng đến mùa màng và vật nuôi, việc tưới tiêu, phát hiện lũ lụt, cháy rừng, ô nhiễm khí quyển... Đồng thời, hệ thống có thể cảnh báo lũ lụt, thiên tai thông qua các cảm biến đo thông số môi trường và

truyền về trung tâm khí tượng thủy văn để phân tích và đánh giá. Những hệ thống cảnh báo lũ này đã và đang được triển khai ở nhiều nơi trên thế giới, đặc biệt thành công trên thị trường Mỹ. Hiện nay ở Việt Nam cũng đã có một số hệ thống đo mực nước ở sông Hồng sử dụng mạng cảm biến không dây.

1.8.4. Ứng dụng WSNs trong giao thông

Với phạm vi ứng dụng này, thì các cảm biến được gắn trên các phương tiện giao thông để chúng có thể xác định được vị trí của nhau, nhận biết được các biển báo hay tắc đường, từ đó định tuyến nhằm giảm thiểu ách tắc, tai nạn giao thông giúp cho việc điều khiển luồng tốt hơn. Hiện nay một số nước đã ứng dụng hệ thống thu phí tự động sử dụng cảm biến không dây tại các trạm thu phí làm giảm bớt đáng kể thời gian và các thủ tục phiền hà trong thu phí giao thông.

Hình 1.6 Minh họa ứng dụng hệ thống cảm biến trong giao thông

1.8.5. Ứng dụng trong gia đình

Trong lĩnh vực tự động hóa gia đình, các nút cảm biến được đặt ở các phòng để đo nhiệt độ, độ ẩm, cảnh báo cháy... Điển hình ngày của ứng dụng loại này là ngôi nhà thông minh (Smart Home). SmartHome kết nối sản phẩm điện tử gia dụng thành mạng thiết bị và hoạt động theo các kịch bản khác nhau nhằm tạo môi trường sống tiện nghi, an toàn và tiết kiệm năng lượng. Chẳng

hạn, khi có người bước vào nhà, hệ thống đèn sẽ tự bật nhờ thiết bị cảm biến hồng ngoại. Đèn chiếu sáng còn có thể điều chỉnh ánh sáng, màu sắc... theo sở thích của chủ nhân. Khi thiết bị chiếu phim hoạt động, hệ thống đèn tự động giảm độ sáng, rèm cửa cũng tự động khép lại để tạo không khí của một phòng chiếu phim. Tùy theo nhu cầu, người sử dụng có thể cấu hình hệ thống hoạt động theo những kịch bản bất kỳ như lập trình hẹn giờ tắt đèn khi đi ngủ, đổ thức ăn vào bể cá khi vắng nhà, hoặc nếu quên tắt TV, bếp gas..., khi tới công sở, họ có thể gửi tin nhắn qua điện thoại di động để điều khiển thiết bị từ xa.

Hình 1.7. Minh họa ứng dụng hệ thống cảm biến trong dân dụng

1.9. 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, môi trường... Đồng thời, chương này cũng trình bày được những vấn đề cần giải quyết của giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây. Qua đó ta thấy rõ được tầm quan trọng của các mạng cảm biến với cuộc sống, sự phát triển nhanh chóng của công nghệ này sẽ hứa hẹn thêm nhiều ứng dụng mới của mạng cảm biến không dây.

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ GIAO THỨC MAC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

2.1. Giới thiệu

MAC (Medium Access Control) có nghĩa nghĩa là “điều khiển truy cập môi trường”. Tức là, giao thức MAC được phát triển để giúp đỡ mỗi nút trong mạng WSNs quyết định xem khi nào và làm sao để truy nhập kênh truyền. Lớp giao thức MAC được xem như là lớp con trong tầng liên kết dữ liệu. MAC cung cấp các cơ chế đánh địa chỉ và điều khiển truy cập kênh (channel access), các cơ chế này cho phép các trạm cuối hoặc nút mạng liên lạc với nhau trong một mạng. Với đặc điểm của nút cảm biến và cấu trúc mạng WSNs, các nút cảm biến khi hoạt động sẽ tương tác với nhau để thực hiện nhiệm vụ truyền thông.

Giao thức MAC đã và đang được nghiên cứu rộng rãi trong mạng cảm biến không dây nói riêng. Trong mạng WSNs, các nút cảm biến với tài nguyên hạn chế (bộ nhớ, năng lượng,…). Trong nhiều trường hợp, chúng được đặt ở những nơi khó tiếp cận. Cho nên, việc tối ưu năng lượng là yêu cầu quan trọng cho các giao thức nói chung, giao thức MAC trong mạng WSNs nói riêng. Bởi vì, sự tiêu thụ năng lượng sóng (quá trình truyền thông) chiếm phần lớn (chiếm trên 70%) trong toàn bộ năng lượng tiêu thụ của mỗi nút. Bên cạnh đó, với việc được đặt ngẫu nhiên trên thực tế, thì vùng phủ sóng của các nút gần nhau sẽ cho sự chồng chéo lên nhau. Do đó, việc xung đột tín hiệu là không tránh khỏi.

Chính vì vậy, thách thức chung trong mạng WSN là vấn đề xung đột do hai nút đồng thời gửi dữ liệu trên một kênh truyền, đó cũng là vấn đề cần giải quyết trong giao thức MAC. Cho nên, các đề xuất mới xây dựng và phát triển giao thức MAC trong WSNs cũng hướng đến mục tiêu tránh, giảm xung đột. Tức là, giao thức MAC cho WSNs phải đảm bảo truy cập hiệu quả cho kết nối

truyền thông, trong khi cũng cần thận trọng trong quản lý nguồn năng lượng được phân bổ cho các nút. Vấn đề này cũng được biết như sự định vị kênh hoặc đa truy nhập.

Giao thức MAC được phân loại theo chính sách truy cập kênh. Cho nên, chúng được chia thành hai loại là giao thức MAC dựa trên cạnh tranh và giao MAC dựa trên TDMA.

2.2. Một số nguyên nhân gây lãng phí năng lượng trong mạng WSN

2.2.1. Tiêu thụ năng lượng khi xung đột tín hiệu

Xung đột tín hiệu là nguyên nhân căn bản đầu tiên gây lãng phí năng lượng. Khi có sự xung đột tín hiệu thì các tín hiệu đó bị hủy bỏ và gói tin sẽ được truyền lại tại một thời điểm khác. Việc yêu cầu truyền lại tín hiệu sẽ làm phát sinh sự tiêu hao năng lượng. Khi mà xung đột càng nhiều thì năng lượng phục vụ việc truyền lại tín hiệu càng tăng lên. Bởi vậy, trong thiết kế giao thức MAC cần hạn chế tối đa xung đột tín hiệu.

2.2.2. Tiêu thụ năng lượng cho việc nghe khi rỗi (Idle listening)

Với đặc điểm ứng dụng là nhận biết thay đổi của môi trường giám sát, nên mạng WSN sẽ thực hiện việc trao đổi, xử lý và truyền thông để nhận tín hiệu. Bởi vậy, khi chưa có sự kiện xảy ra trong môi trường cần giám sát, hoặc chưa nhận được dữ liệu trao đổi giữa các nút mạng thì các nút mạng rơi vào trạng thái rỗi. Tuy nhiên, ngay cả trong lúc rỗi thì các nút mạng vẫn luôn lắng nghe để thu nhận sự kiện môi trường và sự kiện truyền thông tín hiệu của các nút khác trong mạng. Như vậy, mỗi nút mạng cũng cần được thiết kế để tính đến việc sử dụng một mức độ năng lượng nào đó để thực hiện nhiệm vụ này – đó chính là vấn đề nghe khi rỗi.