LA37.002_Nghiên cứu xây dựng thuật toán định tuyến trên cơ sở nhận thức về năng lượng cho mạng cảm biến không dây
1. Tính khoa học và tính cấp thiết của luận án
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) là một kết cấu hạ tầng bao gồm các thành phần cảm nhận (đo lƣờng), tính toán và truyền thông nhằm cung cấp cho ngƣời quản trị khả năng đo đạc, quan sát và tác động lại với các sự kiện, hiện tƣợng trong một môi trƣờng xác định. Các ứng dụng điển hình của mạng cảm biến không dây bao gồm các ứng dụng thu thập dữ liệu, theo dõi, giám sát, y học … Một mạng cảm biến không dây có thể bao gồm hàng trăm, hàng nghìn nút mạng. Các nút mạng thƣờng là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, sử dụng nguồn năng lƣợng hạn chế (thƣờng dùng pin), có thời gian hoạt động lâu dài (từ vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trƣờng khắc nghiệt (nhƣ trong môi trƣờng độc hại, ô nhiễm, nhiệt độ cao…). Các nút cảm biến đƣợc phân bố rải rác trong trƣờng cảm biến. Mỗi nút cảm biến có khả năng thu thập và định tuyến dữ liệu đến một điểm thu thập (Sink/Gateway) và ngƣời dùng cuối. Các nút giao tiếp với nhau qua mạng vô tuyến ad-hoc và truyền dữ liệu về nút gốc bằng kỹ thuật truyền đa chặng. Ngƣời dùng cuối/ngƣời quản lý có thể truyền thông với điểm thu thập thông qua Internet hay bất kỳ mạng không dây nào ví dụ nhƣ mạng di động, WiFi, WiMAX… hoặc ngƣời dùng cuối cũng có thể truyền thông trực tiếp với điểm thu thập.
Trong mạng cảm biến không dây, các nút cảm biến thực hiện đồng thời cả hai chức năng đó là:
Chức năng sinh dữ liệu: Các nút cảm biến thu thập thông tin về các sự kiện trong trƣờng cảm biến và thực hiện việc truyền thông để gửi dữ liệu của chúng về điểm thu thập.
Chức năng định tuyến dữ liệu: Các nút cảm biến cũng tham gia vào quá trình chuyển tiếp các bản tin nhận đƣợc từ các nút lân cận trong tuyến đƣờng đa chặng đến điểm thu thập.
Hầu hết các ứng dụng chính của mạng cảm biến không dây là thu thập thông tin cảm nhận đƣợc trong trƣờng cảm biến nên các giao thức thu thập dữ liệu nhận đƣợc nhiều sự quan tâm nghiên cứu trong cộng đồng mạng cảm biến không dây. Giao thức cây thu thập dữ liệu – CTP (Collection Tree Protocol) thực thi cơ chế thu thập dữ liệu tin cậy từng bƣớc nhảy (hop-by-hop). Các nút tự tổ chức thành một cấu trúc dạng cây và dữ liệu luôn đƣợc gửi về nút cha cho tới khi đến đƣợc đỉnh của cây (nút gốc). Nút gốc đƣợc gán là đỉnh của cây và tất cả các nút khác đƣợc khởi tạo là các nút lá. Các nút lá sẽ cập nhật vị trí của nó trong cấu trúc cây và quá trình này đƣợc mở rộng trong toàn mạng với điểm xuất phát ban đầu là từ nút gốc. Dữ liệu đƣợc gửi qua một cấu trúc cây để đến đƣợc nút gốc.
Trong giao thức CTP, thƣớc đo định tuyến đƣợc sử dụng là số lần truyền kỳ vọng – ETX (Expected Transmission) [1]. Thƣớc đo chất lƣợng liên kết của một tuyến đƣờng – rtmetric (route metric) đƣợc xác định bằng tổng ETX của tất cả các liên kết trên toàn tuyến đƣờng đó. Vị trí của các nút trong cây đƣợc xác định bởi thƣớc đo tuyến đƣờng rtmetric. Tuyến đƣờng có giá trị rtmetric càng lớn thì chất lƣợng các liên kết thuộc tuyến đƣờng càng thấp. Tuyến đƣờng tốt nhất là tuyến đƣờng có rtmetric nhỏ nhất. Đây là tuyến đƣờng có tổng số lần truyền kỳ vọng ETX đến nút gốc là nhỏ nhất và cũng là tuyến đƣờng hiệu quả về mặt năng lƣợng nhất. Trong thời gian gần đây, giao thức CTP cũng thu hút đƣợc nhiều sự quan tâm nghiên cứu trong cộng đồng mạng cảm biến [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]. Giao thức CTP đã đƣợc chứng minh là một giao thức thu thập dữ liệu đạt hiệu quả cao về mặt năng lƣợng tiêu thụ cũng nhƣ tỷ lệ chuyển phát thành công bản tin dữ liệu trong mạng. Tuy nhiên, giao thức CTP hiện tại chỉ dựa vào thƣớc đo định tuyến ETX để lựa chọn tuyến đƣờng tối ƣu. Thƣớc đo định tuyến ETX không giải quyết đƣợc vấn đề cân bằng năng lƣợng giữa các nút mạng. Các nút mạng thuộc những tuyến đƣờng có chất lƣợng liên kết tốt phải thực hiện nhiều việc truyền dẫn trong mạng. Các nút mạng này sẽ hết năng lƣợng nhanh hơn các nút mạng khác và tạo thành các lỗ hổng trong mạng, làm giảm hiệu năng của toàn bộ hệ thống mạng. Đây là một trong những thách thức quan trọng đối với các mạng cảm biến không dây hoạt động bằng pin. Các bài báo [9], [10], [11], [12] đã chỉ ra rằng, thời gian sống của mạng sẽ đƣợc kéo dài nếu năng lƣợng tiêu thụ trên toàn mạng đồng đều.
Một số kết quả đánh giá giao thức CTP hiện tại dựa trên công cụ mô phỏng Cooja [13] và thực nghiệm với phần cứng TUmote cũng cho các kết quả tƣơng tự. Trong luận án này, tác giả đề xuất, thực thi và đánh giá một giao thức định tuyến mới EACTP (Energy Aware Collection Tree Protocol) có sự nhận thức về năng lƣợng nhằm giải quyết điểm yếu này của giao thức CTP. Các kết quả đánh giá dựa trên mô phỏng và thực nghiệm đã cho thấy giao thức EACTP đảm bảo đƣợc sự cân bằng năng lƣợng giữa các nút mạng thuộc những tuyến đƣờng có chất lƣợng liên kết tốt và thời gian sống của các nút mạng đƣợc cải thiện tốt hơn so với giao thức CTP ban đầu
