Đồ án tốt nghiệp đại học Chương II. Năng lượng trong mạng Wireless Sensor NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG WIRELESS SENSOR 2.1. Tính đặc thù của mạng 2.1.1. Hạn chế phần cứng Tất cả các thành phần của nút Sensor phải đặt vừa vào trong một khối. Thông thường kích cỡ được yêu cầu nhỏ hơn 1 centimet khối, đôi khi, phải đủ nhẹ để có thể treo trên không trung. Ngoài các yêu cầu về kích cỡ, khối lượng, việc thiết kế các nút Sensor còn bị hạn chế bởi các yêu cầu nghiêm ngặt khác là : + Công suất tiêu thụ phải vô cùng thấp + Hoạt động trong mật độ thể tích cao + Giá thành sản xuất thấp và có thể bị bỏ qua mà không ảnh hưởng tới toàn mạng + Có thể tự động tổ chức, quản trị và hoạt động không cần can thiệp + Thích nghi được với môi trường. Vì các nút Sensor thường không tiếp cận được nên thời gian tồn tại của một mạng Sensor phụ thuộc vào tuổi thọ nguồn năng lượng của nút. Năng lượng cũng là tài nguyên hiếm do bộ nguồn có kích cỡ giới hạn. Ví dụ, tổng năng lượng dự trữ trong một hạt Sensor thông minh là 1J. Trong mạng Sensor tích hợp vô tuyến (WINS), dòng điện trung bình cung cấp phải nhỏ hơn 30 µA để đảm bảo thời gian sống dài. Các nút WINS được cung cầp năng lượng từ pin lithium (Li) tiêu chuẩn hình đồng xu (đường kính 2.5 cm dày 1cm). Ngoài ra, có thể tăng thời gian sống của mạng bằng cách tìm lấy năng lượng từ môi trường. Các ô pin mặt trời là một ví dụ. Bộ thu phát của các nút Sensor có thể là các thiết bị quang thụ động hoặc tích cực hoặc các thiết bị vô tuyến (RF). Truyền thông tần số vô tuyến yêu cầu điều chế, bộ lọc thông dải, giải điều chế và ghép kênh làm cho chúng trở lên đắt và phức tạp. Ngoài ra, suy hao đường truyền tín hiệu giữa hai nút Sensor tỷ lệ theo luỹ thừa bậc bốn của khoảng cách do các nút Sensor sử dụng antent đẳng hướng. Tuy nhiên, truyền thông vô tuyến được quan tâm trong hầu hết các dự án nghiên cứu vì các gói tin truyền trong mạng Sensor có kích thước nhỏ , tốc độ số liệu thấp (thường nhỏ hơn 1 Hz) và khả năng sử dụng lại tần số cao do khoảng cách truyền thông ngắn. Các đặc điểm này tạo ra cho thấy hệ số sử dụng hệ thống vô tuyến là thấp. Tuy nhiên, việc thiết kế các mạch vô truyến có hiệu quả về năng lượng và hệ số sử dụng thấp vẫn còn là một thách thức công nghệ. Các kỹ thuật vô tuyến thương mại hiện nay vẫn không được như mong muốn vì chúng còn tiêu thụ nhiều năng lượng. Mặc dù đã có các bộ xử lý công suất tính toán cao với kich thước nhỏ nhưng hiện tại chúng vẫn chưa được phổ biến. Ví dụ, một vi hạt thông minh (smart dust mote) nguyên bản là một bộ vi điều khiển 4 MHz Atmel AVR 8535 với 8 Kb bộ nhớ tốc độ cao, 512 byte RAM và 512 byte EEPROM (ROM lập trình bằng điện). Hệ điều hành TinyOS được sử dụng trong bộ xử lý này, với 3500 byte không gian chứa mã OS và 4500 byte không gian có sẵn. Bộ xử lý của một nút Sensor nguyên bản khác, gọi là µAMPS (µ-Adaptive Multi-domain Power aware Sensors-Vi cảm biến nhận biết năng lượng đa miền thích ứng), có một vi xử lý 59 – 206 MHz SA – 1110 sử dụng hệ điều hành đa nhiệm µ-OS. Hầu hết các nhiệm vụ cảm biến yêu cầu có một sự hiểu biết về vị trí. Vì các nút Sensor thường được triển khai ngẫu nhiên và hoạt động tự động, nên chúng cần phải có một hệ thống tìm đường. Hệ thống này cũng được yêu cầu bởi nhiều giao thức định tuyến. Thông thường, các nút Sensor còn được trang bị hệ thống định vị toàn cầu GPS có độ chính xác nhỏ hơn 5m. Nhờ vậy, chúng có thể tự động tìm vị trí thích hợp và có khả năng định vị chính xác các hiện tượng đích. Đồ án tốt nghiệp đại học Chương II. Năng lượng trong mạng Wireless Sensor 2.1.2. Môi trường hoạt động Các nút Sensor được triển khai dày đặc rất gần hoặc trực tiếp bên trong hiện tượng để quan sát. Vì thế, chúng thường hoạt động tự động tại các vùng cách xa. Chúng có thể làm việc trong các môi trường sau: + Trong các phần tiếp giáp + Bên trong các bộ phận lớn + Đáy biển + Bên trong các hiện tượng phức tạp + Trên mặt biển, trong một thuỷ lôi + Các vùng ô nhiễm sinh hoá + Các vùng chiến sự + Các ngôi nhà hay toà nhà lớn + Các nhà kho lớn + Gắn vào các con thú + Gắn vào xe cộ + Trong các đường ống hay dòng sông theo dòng chảy Như vậy, các nút Sensor phải làm việc với các điều kiện rất khó khăn: dưới áp suất cao dưới đáy biển; ở các môi trường khắc nghiệt như vùng chiến sự hay các đống đổ nát; dưới sức nóng hay độ lạnh; trong các môi trường tạp âm lớn. Với mỗi loai phải có một kế hoạch thiết kế thích hợp. 2.1.3. Môi trường truyền dẫn Trong một mạng Sensor đa liên kết, các nút mạng thông tin với nhau qua môi trường không dây. Các liên kết này có thể là sóng vô tuyến, hồng ngoại hay các tín hiệu quang. Việc chọn môi trường thông tin liên quan đén yêu cầu nhiệm vụ của mạng và chúng phải đảm bảo các quy định quốc tế về thông tin trong không gian để có thể hoạt động được ở mọi nơi. Liên kết vô tuyến sử dụng các dải tần công nghiệp, khoa học và y học (Industrial, Scientific and Medical-ISM). Các dải tần này được thông tin tự do trong hầu hết các nước. Bảng phân phối tần số quốc tế nằm trong khoản S5 trong quy định tần số chỉ ra một số dải tần dành cho các ứng dụng ISM (Bảng 2.1). Đồ án tốt nghiệp đại học Chương II. Năng lượng trong mạng Wireless Sensor Bảng 2.1. Các dải tần dành cho các ứng dụng ISM Một số các dải tần này đã được sử dụng cho các hệ thống điện thoại cầm tay và mạng nội bộ không dây (Wireless LAN). Các mạng Sensor sử dụng bộ thu phát kích cỡ nhỏ, giá rẻ và công suất tiêu thụ cực thấp. Do các hạn chế về phần cứng và sự cân bằng giữa hiệu quả antent và công suất tiêu thụ giới hạn nên phải lựa chọn sóng mang thuộc dải tần rất cao (UHF). Các bộ thu phát sử dụng dải tần 433 MHz ISM ở châu Âu và 915 MHz ở Bắc Mỹ. Thuận lợi chính của các dải tần ISM là sử dụng tự do, phổ rộng và thông dụng. Chúng không vượt khỏi các tiêu chuẩn riêng, do đó có thể phù hợp với các kế hoạch tiết kiệm năng lượng. Mặt khác, còn có các hạn chế khác như giới hạn công suất và nhiễu gây hại từ các ứng dụng đã triển khai do các dải tần ISM không được quản lý. Một kiểu truyền thông khác trong mạng Sensor là sử dụng hồng ngoại. Thông tin hồng ngoại được sử dụng tự do và có khả năng chống nhiễu từ các thiết bị điện. Các bộ thu phát hồng ngoại có giá thành rẻ và dễ chế tạo. Ngày nay, các máy tính xách tay, máy tính cầm tay và điện thoại di động đều có cổng giao tiếp hồng ngoại. Trở ngại chính của việc sử dụng hồng ngoại là yêu cầu phải có một đường nhìn thẳng giữa nơi gửi và nơi nhận. Điều nay làm cho hồng ngoại khó được sử dụng trong trường hợp mạng Sensor. Một hướng phát triển đáng quan tâm là các vi hạt thông minh (smart dust mote), một hệ thống cảm biến, tính toán và thông tin tự động, sử dụng môi trường truyền dẫn quang học. Có hai phương pháp truyền thông tin: thứ nhất là truyền thông thụ động sử dụng một máy phản chiếu có dạng tam diện chữ nhật (Corner-cube- retroreflector (CCR)); thứ hai là truyền thông tích cực sử dụng các diode lazer và các gương chuyển động. Hiện nay các diode lazer tại nơi phát được gắn trên bảng mạch, có thể chuyển động lái chùm sáng vào chính xác nơi nhận. Các ứng dụng đặc biệt đòi hỏi môi trường truyền dẫn phức tạp hơn. Ví dụ, với các ứng dụng dưới biển thì môi trường truyền dẫn là môi trường nước. Do đó phải sử dụng bức xạ bước sóng dài để đi xuyên trong nước. Với các vùng khí hậu khắc nghiệt hay các vùng chiến sự, thì phải vượt qua được các sai lỗi và nhiễu lớn. Ngoài ra, các antent của Sensor thấp hơn và có công suất bức xạ nhỏ hơn các thiết bị vô tuyến khác. Do đó,môi trường truyền thông phải được hỗ trợ bằng các phương thức điều chế và mã hoá chống lỗi phù hợp với đặc điểm từng loại kênh truyền. 2.2. Sự tiêu thụ năng lượng Nút Wireless Sensor là một thiết bị điện rất nhỏ nên chỉ được trang bị nguồn năng lượng hạn chế (<0.5Ah, Tần số trung tâm Dải tần Đồ án tốt nghiệp đại học Chương II. Năng lượng trong mạng Wireless Sensor 1.2V). Trong hầu hết các ứng dụng, việc tiếp thêm năng lượng là không thực hiện được. Cho nên, thời gian tồn tại của nút Sensor phụ thuộc chủ yếu vào tuổi thọ của nguồn năng lượng. Trong mạng Sensor đa liên kết, mỗi nút đóng hai vai trò là điểm khởi đầu số liệu và định tuyến số liệu. Sự trục trặc của vài nút có thể là nguyên nhân quan trọng của việc thay đổi hình trạng mạng, phải định tuyến lại gói tin và phải tổ chức lại mạng. Do đó, việc bảo tồn nguồn năng lượng và quản lý nguồn năng lượng là rất quan trọng. Do các nguyên nhân này mà nhiều nhà nghiên cứu đã tập trung vào việc thiết kế các thuật toán và giao thức nhận biết, tính toán năng lượng cho mạng Sensor. Trong các mạng đa liên kết và di động khác, việc tiêu thụ năng lượng là một vấn đề quan trọng trong thiết kế song không phải vấn đề chính vì nguồn năng lượng có thể được người sử dụng thay thế. Điều quan trọng hơn là vấn đề cung cấp chất lượng dịch vụ (QoS). Tuy nhiên, trong các mạng Sensor, hiệu quả năng lượng là một vấn đề vô cùng quan trọng vì nó ảnh hưởng trực tiếp tới tuổi thọ của mạng. Các giao thức riêng cho từng ứng dụng được thiết kế để có được sự cân bằng thích hợp giữa các vấn đề về độ trễ và thông lượng với hiệu quả năng lượng. Nhiệm vụ chính của một nút Sensor trong trường Sensor là theo dõi các sự kiện, xử lý nhanh số liệu cục bộ và truyền thông số liệu. Công suất tiêu thụ bởi ba thành phần chính: cảm biến, truyền thông và xử lý số liệu. 2.2.1. Năng lượng cho nhiệm vụ cảm biến Năng lượng tiêu thụ của bộ cảm biến và các thành phần của nó có thể thay đổi tuỳ theo ứng dụng cụ thể. Việc cảm biến rời rạc sẽ tiêu thụ công suất nhỏ hơn so với việc theo dõi các hiện tượng một cách liên tục. Độ phức tạp của nhiêm vụ quan sát hiện tượng đóng vai trò quyết định trong việc xác định mức năng lượng tiêu hao. Các mức tạp âm biên độ cao là nguyên nhân làm tăng độ phức tạp trong việc quan sát hiện tượng của các Sensor. Do đó, làm tăng công suất tiêu thụ cho nhiệm vụ cảm biến. 2.2.2. Năng lượng cho truyền thông Trong ba thành phần nêu trên trong một nút Sensor, phần truyền thông số liệu tiêu thụ năng lượng nhiều nhất, bao gồm cả phát và thu số liệu. Đặc điểm truyền thông trong mạng Sensor là phạm vi ngắn và công suất bức xạ thấp (~ 0 dbm), chi phí năng lượng cho việc phát và thu là gần như nhau. Trong mạch thu phát, các bộ trộn, các bộ tổng hợp tần số, các bộ dao động điều khiển bằng điện áp, các vòng khoá pha (PLL) và các bộ khuếch đại công suất tiêu thụ công suất đáng kể. Điều quan trọng là tính toán này không chỉ quan tâm đến công suất tích cực mà còn xem xét đến tiêu thụ công suất khởi phát trong mạch thu phát. Thời gian khởi phát lên tới hàng trăm micro giây làm công suất khởi phát trở lên đáng kể. Giá trị cao của thời gian khởi phát được cho là do thời gian khoá của vòng khoá pha (PLL). Khi kích cỡ gói tin truyền giảm nhỏ thì công suất khởi phát sẽ chiểm ưu thế so với công suất tích cực. Kết quả là việc chuyển trạng thái (thu, phát) giữa ON va OFF không hiệu quả vì sẽ tiêu thụ một khối lượng điện năng lớn mỗi lần chuyển trạng thái về ON. Công suất vô tuyến tiêu thụ được tính như sau: P c = N T [ P T ( T on + T st ) + P out ( T on )] + N R [ P R (R on + R st ) ] Trong đó, P T/R là công suất tiêu thụ bởi bộ phát/bộ thu; P out là công suất đầu ra của bộ phát; T/R on là khoảng thời gian phát/thu trạng thái ON; T/R st là khoảng thời gian khởi phát tại mạch phát/thu; N T/R là số lần mạch phát/thu chuyển mạch sang ON trong một đơn vị thời gian, phụ thuộc vào nhiệm vụ và phương thức điều khiển truy nhập môi trường. T on có thể viết lại bằng L/R , trong đó, L là kích thước gói, R là tốc độ số liệu. Với tiến bộ kỹ thuật hiện nay, các bộ thu phát vô tuyến thường có P T và P R khoảng 20 dbm và P out gần 0 dbm. Giá trị mục tiêu của P c khoảng –20 dbm. Đồ án tốt nghiệp đại học Chương II. Năng lượng trong mạng Wireless Sensor 2.2.3. Năng lượng cho xử lý Năng lượng tiêu thụ cho xử lý số liệu nhỏ hơn nhiều so với năng lượng dành cho truyền thông số liệu. Do ảnh hưởng của fading và do sự suy giảm đường truyền theo luỹ thừa bậc bốn nên công suất tiêu thụ của bộ thu phát lớn khi khoảng cách truyền thông tăng. Trong khi đó, bộ xử lý thường không phức tạp và tốc độ không cao nên tiêu thụ công suất nhỏ. Một nút Sensor phải có khả năng tính toán và tương tác với môi trường xung quanh. Giới hạn về chi phí và kích thước dẫn đến sự lựa chọn công nghệ bán dẫn oxit kim loại (CMOS) cho bộ vi xử lý. Tuy nhiên, công nghệ này lại bị hạn chế về hiệu quả năng lượng. Ngoài ra, trong nút Sensor còn có các mạch mã hoá và giải mã, các mạch tích hợp các ứng dụng đặc biệt. Khi thiết kế các giao thức và thuật toán cho mạng, phải tính toán các ảnh hưởng đến công suất tiêu thụ của các thành phần này. 2.3. Các giải pháp tiết kiệm năng lượng 2.3.1. Giải pháp định tuyến Việc định tuyến trong mạng sensor cũng như trong các mạng khác được thực hiện tại lớp mạng. Các nút Sensor được phân bố dày đặc trong một trường ở gần hoặc ở ngay bên trong các hiện tượng mục tiêu như trong hình 1.1. Giao thức định tuyến không dây đa bước phù hợp giữa nút Sensor và nút Sink là cần thiết. Kỹ thuật định tuyến trong mạng ad-hoc thông thường không phù hợp những yêu cầu của mạng Sensor. Lớp mạng của mạng Sensor được thiết kế theo những nguyên tắc sau : - Hiệu suất năng lượng luôn là yếu tố quan trọng - Hầu hết các mạng Sensor là số liệu tập trung - Việc tập hợp số liệu chỉ được thực thi khi nó không cản trở hoạt động hợp tác của các nút Sensor . - Một mạng Sensor lý tưởng phải nhận biết được việc đánh địa chỉ thuộc tính cơ sở và vị trí. 2.3.1.1. Các phương pháp định tuyến tối ưu về năng lượng Các phương pháp được sử dụng để chọn tuyến đường có hiệu suất năng lượng cao được minh hoạ trên hình 2.1. Đồ án tốt nghiệp đại học Chương II. Năng lượng trong mạng Wireless Sensor Hình2.1: Hiệu quả năng lượng trong định tuyến Trong đó, T là nút nguồn cảm biến hiện tượng mục tiêu. Nó có bốn đường có thể liên lạc với bộ thu nhận (Sink) như sau : . Đường 1 : Sink - A - B - T, tổng PA = 4 , tổng ỏ =3 . Đường 2 : Sink - A - B - C - T , tổng PA = 6 , tổng ỏ = 6 . Đường 3 : Sink - D - T , tổng PA = 3 , tổng ỏ = 4 . Đường 4 : Sink - E - F - T , tổng PA = 5 , tổng ỏ = 6 Với PA là mức năng lượng hiện tại của nguồn nuôi tại nút (Available Power) và ỏ i là năng lượng cần thiết để truyền một gói số liệu qua kết nối liên quan. Theo các tiêu chí khác nhau, có bốn phương pháp chọn đường có hiệu quả cao nhất về năng lượng. 1) Đường tổng mức năng lượng nguồn nuôi hiện tại (PA:power available) cực đại: là đường có tổng các mức năng lượng nguồn nuôi hiện tại của các nút liên quan lớn nhất. PA tổng được tính bằng tổng các PA của mỗi nút dọc theo đường. Theo phương pháp này, đường 2 được lựa chọn. Tuy nhiên, đường 2 lại bao gồm những nút trong đường 1 và một nút mở rộng. Vì thế, dù có PA tổng cao hơn nhưng nó không phải là đường có hiệu suất năng lượng cao nhất. Như vậy, những đường nhận được từ việc mở rộng các đường có thể kết nối Sensor tới Sink sẽ không được tính. Loại trừ đường 2, đường 4 là đường có hiệu suất năng lượng cao nhất khi sử dụng phương pháp PA tối đa. 2) Đường năng lượng cực tiểu (ME: minimum energy): đường mà năng lượng tiêu thụ cực tiểu khi truyền một gói số liệu giữa nút Sink và nút Sensor được gọi là đường ME. Như vậy đường ME là đường có tổng các ỏ nhỏ nhất. Trong ví dụ này, đường 1 là đường ME. Đồ án tốt nghiệp đại học Chương II. Năng lượng trong mạng Wireless Sensor 3) Đường có số bước nhảy cực tiểu (MH: minimum hop): là đường có số liên kết từ nút Sensor nguồn tới nút Sink là nhỏ nhất. Đường 3 trong ví dụ này là đường có hiệu suất cao nhất theo tiêu chí này. Lưu ý rằng phương pháp ME sẽ chọn ra đường tương tự như phương pháp MH khi năng lượng tiêu thụ cho việc truyền một gói tin ở tất cả các liên kết đều như nhau, tức là tất cả ỏ ở mọi liên kết đều bằng nhau. Vì thế, khi các nút phát quảng bá với cùng mức năng lượng mà không có bất kì sự điều khiển năng lượng nào, MH là tương đương với ME. 4) Đường có PA cực tiểu lớn nhất (Maximum minimum PA nút): là đường mà dọc theo nó, PA cực tiểu lớn hơn các PA cực tiểu của các đường khác. Theo tiêu chí này, đường 3 là đường có hiệu suất năng lượng cực đại và đường 1 là đường có hiệu suất lớn thứ hai. Phương pháp này ngăn ngừa việc sử dụng các nút Sensor có PA thấp sớm trong khi có thể sử dụng các nút khác có PA cao hơn. Như thế có thể tránh được hiện tượng một số nút bị cạn nguồn năng lượng sớm làm ảnh hưởng đến hoạt động toàn mạng. 2.3.1.2. Phương pháp định tuyến số liệu tập trung Một vấn đề quan trọng khác của lớp mạng là định tuyến có thể dựa trên việc tập trung số liệu. Trong định tuyến số liệu tập trung, việc phổ biến các yêu cầu (các nội dung được quan tâm) được thực hiện nhằm phân nhiệm vụ cảm biến tới các nút Sensor. Có hai phương pháp được sử dụng để phổ biến yêu cầu là: nút Sink phổ biến nội dung được quan tâm tới các nút Sensor cần thiết và các nút Sensor phát quảng bá một quảng cáo cho số liệu có sẵn và đợi một yêu cầu từ các nút Sink có nhu cầu về các số liệu này. Định tuyến số liệu tập trung yêu cầu phải đặt tên thuộc tính cơ sở. Nguyên nhân cần phải đặt tên thuộc tính cơ sở là người sử dụng thường quan tâm tới truy vấn thuộc tính của hiện tượng hơn là truy vấn tới một nút riêng lẻ. Ví dụ, “những khu vực nơi nhiệt độ vượt quá 70 độ F” là một truy vấn được sử dụng thường xuyên hơn là “nhiệt độ được đọc bởi một nút nào đó”. Việc đặt tên thuộc tính cơ sở được sử dụng để truy vấn về các thuộc tính của hiện tượng. Với việc đặt tên thuộc tính cơ sở, các phương thức phát quảng bá, phát đến một nhóm theo thuộc tính cơ sở (attribute-based multicasting), phát theo địa lý (geo-casting), phát bất kỳ ( any-casting ) trở lên quan trọng đối với mạng Sensor . Tập hợp số liệu là một kỹ thuật được sử dụng để giải quyết những vấn đề trùng lặp và chồng chéo trong định tuyến số liệu tập trung. Trong kỹ thuật này, một mạng Sensor được mô tả với cấu trúc cây phát đa điểm đảo ngược (reverse multicast tree) như trong hình 2.2. Đồ án tốt nghiệp đại học Chương II. Năng lượng trong mạng Wireless Sensor Hình 2.2: Ví dụ về tập hợp số liệu Bộ thu nhận (Sink) yêu cầu các nút Sensor báo cáo về trạng thái xung quanh hiện tượng. Số liệu từ nhiều nút Sensor được tập hợp lại khi chúng tới cùng một nút trên đường đến nút Sink nếu chúng cùng chỉ về một thuộc tính của hiện tượng. Trong ví dụ trên, nút Sensor E tập hợp số liệu từ các nút Sensor A và B. Trong khi đó, nút Sensor F tập hợp số liệu từ các nút Sensor C và D. Việc tập hợp số liệu có thể được hiểu như là một nhóm các phương pháp tự động kết hợp số liệu tới từ nhiều nút Sensor thành một tập thông tin có nghĩa. Về mặt này, việc tập hợp số liệu được xem như là hợp nhất số liệu. Ngoài ra, sự cẩn trọng là rất cần thiết khi tập hợp số liệu bởi các đặc trưng của số liệu, như vị trí của những nút Sensor báo cáo, không cho phép được bỏ sót. Những đặc trưng như vậy có thể rất cần thiết cho một ứng dụng nào đó. 2.3.1.3. Các giao thức lớp mạng khác được đề xuất cho mạng Sensor a) Mạng truyền thông với năng lượng cực tiểu loại nhỏ ( SMECN : Small Minimum Energy Communication Network ): giao thức MECN được phát triển để tính toán một mạng con có hiệu suất năng lượng cao trong một mạng truyền thông nhất định. Một thuật toán mới được gọi là SMECN được đề xuất cũng nhằm cung cấp một mạng con như vậy. Mạng con, tức là một lược đồ con, được cấu trúc bởi SMECN nhỏ hơn mạng con được cấu trúc bởi MECN nếu vùng phát quảng bá là hình tròn với công suất nhất định. Lược đồ con G của lược đồ G’, mô tả mạng Sensor, tối thiểu năng lượng sử dụng với các điều kiện sau: số cạnh trong lược đồ con G nhỏ hơn trong lược đồ G’ gồm tất cả nút trong G’, nếu hai nút u và v được kết nối trong G’ , chúng cũng được kết nối trong G; năng lượng cần thiết để truyền số liệu từ nút u tất cả các nút lân cận trong lược đồ con G nhỏ hơn năng lượng cần thiết để truyền số liệu tới tất cả các nút lân cận trong G’. SMECN cũng tuân theo đặc tính ME mà MECN sử dụng để cấu trúc nên mạng con. Đặc tính ME là có tồn tại một đường ME trong lược đồ con G giữa u và v với mọi cặp (u,v) được kết nối trong G’. Công suất cần thiết để truyền số liệu giữa u và v tính như sau: p(u,v) = td(u,v) n , với t là một hằng số, d(u,v) là khoảng cách giữa u và v và n ≥ 2 là hàm mũ suy giảm bởi truyền dẫn vô Đồ án tốt nghiệp đại học Chương II. Năng lượng trong mạng Wireless Sensor tuyến. Ngoài ra, công suất cần thiết để nhận số liệu là c . Vì p(u,v) tăng lên theo luỹ thừa n (n ≥ 2) của khoảng cách giữa u và v, công suất chuyển tiếp số liệu có thể nhỏ hơn công suất truyền dẫn số liệu trực tiếp giữa nút u và v. Đường dẫn giữa u (tức là u 0 ) và v ( ví dụ u k ) được đặc trưng bởi r , với r = ( u 0 , u 1 , ,u k ) trong lược đồ con G = (V,E) là một dãy có thứ tự của các nút như cặp (u i , u i+1 ) thuộc E . Ngoài ra, độ dài của r là k . Tổng công suất tiêu thụ giữa các nút u 0 và u k là: Với p(u i ,u i+1 ) là công suất cần thiết để truyền dẫn số liệu giữa nút u i và u i+1 ; và c là công suất cần thiết để nhận số liệu. Tuyến đường r là một đường ME từ u 0 tới u k nếu C(r) ≤ C(r)’ với mọi đường r’ giữa nút u 0 và u k trong G’. Như vậy, một lược đồ con có đặc tính ME nếu với tất cả các cặp (u,v) thuộc V, có tồn tại một đường r trong G là một đường ME giữa u và v trong G’. b) Giao thức tràn (Flooding): thuật tràn là một kỹ thuật cũ có thể cũng được sử dụng để định tuyến trong mạng Sensor. Trong thuật tràn, mỗi nút đang nhận một gói số liệu hoặc một gói điều khiển lặp lại nó bằng cách phát quảng bá, trừ khi gói này đã đạt được số bước nhảy cực đại cho phép hoặc gói đã tới đích. Thuật tràn là một kỹ thuật phản ứng và nó không cần duy trì kiến trúc mạng đắt tiền và thuật toán tìm đường phức tạp. Tuy nhiên, nó có một vài hạn chế như : + Sự trùng lặp (Implosion): trùng lặp là một trạng thái mà các bản sao của gói tin được gửi tới cùng một nút. Ví dụ, nếu một nút Sensor A có N nút Sensor lân cận mà đó cũng là những nút lân cận của nút Sensor B, nút Sensor B nhận N bản sao của bản tin được gửi đi bởi nút Sensor A. + Sự chồng lấn (Overlap): nếu hai nút chia sẻ cùng một vùng quan sát, cả hai nút có thể cảm nhận cùng một kích thích tại cùng một thời điểm. Kết quả là các nút lân cận nhận được các bản tin sao lại. + Sự mù tài nguyên (Resource Blindness): giao thức tràn không đưa vào báo cáo các tài nguyên năng lượng hiện tại. Một giao thức nhận biết được tài nguyên năng lượng phải đưa vào báo cáo mức năng lượng của các nút tại mọi thời điểm . c) Giao thức dây truyền (Gossiping): với giao thức dây truyền, các nút không phát quảng bá mà gửi đi những gói tới tới một nút lân cận được chọn ngẫu nhiên. Một nút Sensor lựa chọn ngẫu nhiên một trong các nút lân cận để gửi số liệu. Khi nút lân cận đó nhận được số liệu, nó lại lựa chọn ngẫu nhiên một nút Sensor khác. Mặc dù phương pháp này tránh được vấn đề trùng lặp (Implosion) do chỉ có một bản sao của bản tin tại một nút bất kỳ, nhưng nó phải mất một thời gian khá dài để truyền bản tin tới tất cả các nút Sensor. Đồ án tốt nghiệp đại học Chương II. Năng lượng trong mạng Wireless Sensor d) Các giao thức thông tin Sensor thông qua thỏa thuận (Sensor Protocols for Information via Negotiation-SPIN): một họ các giao thức có khả năng thích ứng được gọi là SPIN được thiết kế để khắc phục nhược điểm của giao thức tràn (Flooding) cổ điển bằng thỏa thuận và khả năng thích ứng tài nguyên. Họ giao thức SPIN được thiết kế dựa trên hai ý tưởng cơ bản: 1) Các nút Sensor hoạt động hiệu quả hơn và có thể bảo tồn năng lượng bằng cách chỉ gửi các số liệu mô tả về số liệu cảm biến thay vì gửi toàn bộ số liệu; 2) Các nút Sensor phải giám sát sự thay đổi trong tài nguyên năng lượng của chúng. SPIN có ba kiểu bản tin là ADV (quảng cáo), REQ (yêu cầu) và DATA (số liệu). Trước khi gửi bản tin DATA, Sensor phát quảng bá một bản tin ADV gồm một bản mô tả (meta-data) của DATA chỉ ra trong bước 1 trên hình 2.3. Nếu một nút Sensor lân cận quan tâm đến số liệu này, nó sẽ gửi một bản tin REQ về số liệu và bản tin DATA sẽ được gửi tới nút Sensor này như các bước 2 và 3 trên hình 2.3. Nút Sensor này lại lặp lại tiến trình trên như chỉ ra ở bước 4, 5, 6. Kết quả là tất cả các nút Sensor trong toàn mạng Sensor có nhu cầu về số liệu này sẽ nhận được bản sao của số liệu. Hình2.3: Giao thức SPIN Lưu ý rằng SPIN dựa trên định tuyến số liệu tập trung trong đó các nút Sensor phát quảng bá một quảng cáo đối với số liệu có sẵn và đợi một yêu cầu từ các nút Sink có nhu cầu. e) Định tuyến chỉ định liên tục (Sequential Assignment Routing-SAR): một tập hợp các các thuật toán thực hiện các hoạt động tổ chức, quản trị và quản lý di động trong mạng Sensor được đề xuất. MAC tự tổ chức cho mạng Sensor (Self Organizing MAC for Sensor network- SMACS) là một giao thức phân tán cho phép một nhóm các nút Sensor có thể phát hiện ra các nút lân cận của chúng và thiết lập các tiến trình truyền / nhận mà không cần tới hệ thống quản [...]... node mạng cảm biến Năng lượng này người ta gọi là năng lượng sạch và thuật ngữ "energy scavenging" 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 sử dụng bởi chính nó Nếu được thiết kế hợp lý các node mạng sử dụng năng lượng sạch có thể rất nhỏ bởi chúng không cần mang theo nguồn chứa năng. .. đủ năng lượng cho node mạng hoạt động ngay cả khi nguồn năng lượng sạch tạm thời gián đoạn Đồ án tốt nghiệp đại học Chương II Năng lượng trong mạng Wireless Sensor Mạch khởi động phải không gây ảnh hưởng tới chức năng điều hoà node cho tới khi việc điều hoà 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. .. tử của lớp vật lý không lý tưởng trên thiết kế giao thức MAC cho mạng Sensor Hệ thống được tạo lên bởi các nút Sensor bị hạn chế năng lượng liên lạc với một trạm gốc đơn, ở gần và được cấp nguồn năng lượng cao Đồ án tốt nghiệp đại học Chương II Năng lượng trong mạng Wireless Sensor (< 10 m) Cụ thể là ứng dụng điều khiển máy của mạng Sensor với những yêu cầu nghiêm ngặt về trễ số liệu và phương pháp... phương pháp tiết kiệm năng lượng này dường như cung cấp sự tăng thêm năng lượng nhưng một điểm quan Đồ án tốt nghiệp đại học Chương II Năng lượng trong mạng Wireless Sensor trọng không được phép bỏ qua là các nút Sensor liên lạc bằng các gói số liệu ngắn Các gói càng ngắn thì năng lượng khởi kích càng nổi trội Trong thực tế, nếu chúng ta tắt thiết bị vô tuyến một cách máy móc trong thời gian khe rỗi,... việc thiết kế mạng Mặc dù mạng có thể tự tổ chức và tự vận hành nhưng người sử dụng một mạng lớn vẫn phải chắc chắn mạng đảm bảo các chức năng của nó; Hơn nữa trong nhiều các ứng dụng đặc biệt trong trường hợp khẩn cấp trạng thái mạng phải hữu dụng Nếu cảnh báo nguồn thấp được gửi thông qua chính mạng cảm biến, thì node mạng phải được thiết kế đẻ chức năng thu phát là chức năng sau cùng trong các điều... truyền thống không thể áp dụng cho mạng Sensor và việc các giao thức mới này đạt được hiệu suất năng lượng như thế nào 2.3.2.3 Các chế độ hoạt động tiết kiệm năng lượng Bất kể phương pháp truy nhập môi trường truyền dẫn nào được sử dụng cho mạng Sensor đều phải hỗ trợ các kiểu hoạt động tiết kiệm năng lượng cho nút Sensor Vi dụ rõ ràng nhất của việc bảo tồn nguồn năng lượng là tắt bộ thu phát khi nó... chất lượng dịch vụ (QoS) quá thấp (tức là thông lượng thấp / trễ cao) và dự trữ năng lượng quá ít Kết thúc thủ tục này, phần lớn các nút thuộc về các nhánh cây này Điều này cho phép nút Sensor có thể lựa chọn một cây để chuyển thông tin của nó về Sink Có hai tham số được gắn với mỗi đường dẫn (nhánh cây) trở về Sink: + Khả năng về năng lượng: khả năng năng lượng được đánh giá bằng số lượng gói mà nút Sensor. .. duy trì mạng Qui tắc này là tiêu điểm của các thiết kế trên quan điểm của người sử dụng Đồ án tốt nghiệp đại học Chương II Năng lượng trong mạng Wireless Sensor Điện trở trong của nguồn là hết sức quan trọng, bởi dòng điện chạy trong các node mạng cảm biến là khá nhỏ Hơn nữa, Các cảm biến thường ở trạng thái nghỉ trong khoảng thời gian dài sau một chu kỳ hoạt động dòng cao Nguồn với điện trở trong cao... như sau : trong các trường hợp khác Với P là phần trăm mong muốn để trở thành một đầu cụm; r là chu kỳ hiện tại và G là tập các nút không được chọn làm đầu cụm trong 1/P chu kỳ cuối Sau khi đầu cụm được lựa chọn, các đầu cụm sẽ thông báo tới tất cả các nút Sensor trong mạng rằng chúng là các đầu cụm mới Khi Đồ án tốt nghiệp đại học Chương II Năng lượng trong mạng Wireless Sensor các nút Sensor nhận... lưu lượng mạng nhưng cũng cung cấp một thông tin tối thiểu - Node mạng có thể gửi bức điện "cập nhật trạng thái mạng" một cách định kỳ tới gốc mạng Mặc dù nguyên lý này làm dài bức điện vận hành mạng nhưng nó cung cấp thông tin quan trọng tới người sử dụng - Nếu mạng không hỗ trợ bức điện "cập nhật trạng thái mạng" , node có thể chia sẻ thông tin Đồ án tốt nghiệp đại học Chương II Năng lượng trong mạng . nghiệp đại học Chương II. Năng lượng trong mạng Wireless Sensor NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG WIRELESS SENSOR 2.1. Tính đặc thù của mạng 2.1.1. Hạn chế phần cứng. Chương II. Năng lượng trong mạng Wireless Sensor 2.2.3. Năng lượng cho xử lý Năng lượng tiêu thụ cho xử lý số liệu nhỏ hơn nhiều so với năng lượng dành