- Hiệu quả năng lượng trong mạng WSN. - Các nguyên nhân gây nên lãng phí năng lượng. - 9 2.1.Các khía cạnh quản lý năng lượng cục bộ. - Phân hệ quản lý năng lượng. - 12 2.2.Quản lý năng lượng động. - 14 2.2.2.Mở rộng quy mô quản lý năng lượng động. - Tiết kiệm năng lượng ở lớp mạng trong WSN. - 36 4.1.Tổng quan chung về tiết kiệm năng lượng của các giao thức lớp MAC. - Mô phỏng và đánh giá hiệu quả năng lượng của các giao thức trong WSN. - 62 5.3.1 Đánh giá hiệu quả năng lượng của 2 giao thức định tuyến ARPEES và EMRP. - 63 5.3.2 Đánh giá hiệu quả năng lượng của giao thức XT–MAC, B–MAC và IEEE 802.15.4. - 53 Hình 5.1: Đồ thị so sánh năng lượng còn lại của 2 giao thức ARPEES và EMRP. - 64 Hình 5.2: Đồ thị so sánh năng lượng còn lại của 3 giao thức MAC. - 57 Bảng 5.1: Năng lượng còn lại của mạng sau khi chạy mô phỏng sử dụng giao thức định tuyến ARPEES. - 63 Bảng 5.2: Năng lượng còn lại của mạng sau khi chạy mô phỏng sử dụng giao thức định tuyến EMRP. - 63 Bảng 5.3: Năng lượng còn lại của mạng khi sử dụng giao thức XT-MAC. - 65 Bảng 5.4: Năng lượng còn lại của mạng khi sử dụng giao thức B-MAC. - 65 Bảng 5.5: Năng lượng còn lại của mạng khi sử dụng giao thức MAC chuẩn 802.15.4. - Hiện nay rất nhiều nhà nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng của mạng cảm biến trong từng lĩnh vực khác nhau. - Vì vậy, trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, em đã lựa chọn đề tài “ Nghiên cứu và đánh giá một số giao thức và kỹ thuật quản lý tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến không dây”. - Chương 2: “Quản lý năng lượng trọng mạng cảm biến không dây” sẽ trình bày những lý thuyết chính về quản lý năng lượng trong mạng cảm biến không dây. - Chương 3: “Tiết kiệm năng lượng ở lớp mạng” sẽ trình bày nguyên tắc chung về tiết kiệm năng lương của các giao thức định tuyến. - Sau đấy đi sâu vào tìm hiểu kỹ thuật tiết kiệm năng lượng ở một số giao thức định tuyến như ARPEES và EMRP. - Chương 4: “Tiết kiệm năng lượng ở lớp MAC” sẽ trình bày nguyên tắc chung về tiết kiệm năng lượng của các giao thức MAC. - Qua đó sẽ thực hiện mô phỏng và đánh giá hiệu quả năng lượng của một số giao thức trong WSN. - TS Trần Quang Vinh SVTH: Khương Văn Thắng Trang 3 Sự tiêu thụ năng lượng: Mỗi node cảm biến được trang bị nguồn năng lượng giới hạn. - Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng là không thể thực hiện được. - Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây. - Hiệu quả năng lượng trong mạng WSN: Tính hiệu năng (Energy Efficiency) là một trong những thuộc tính quan trọng nhất trong mạng cảm biến. - Yêu cầu truyền lại gói tin sau đó sẽ làm phát sinh sự tiêu hao năng lượng. - Sự gửi, nhận, và nghe những gói tin điều khiển cũng tiêu thụ năng lượng. - Vì vậy một giao thức thiết kế cho mạng cảm biến phải đạt được yêu cầu tiết kiệm năng lượng bởi việc điều khiển thành phần sóng vô tuyến để tránh hoặc giảm bớt tiêu phí năng lượng do những nguyên nhân trên. - TS Trần Quang Vinh SVTH: Khương Văn Thắng Trang 9 CHƯƠNG 2: QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Tiêu thụ điện năng của mạng cảm biến không dây (WSN) là mối quan tâm quan trọng vì sự khan hiếm năng lượng. - Vấn đề năng lượng tiêu thụ có thể được tiếp cận theo hai hướng: Thứ nhất là cải tiến các giao thức truyền thông tiết kiệm năng lượng. - Một phương pháp quản lý năng lượng động (DPM) sẽ đảm bảo năng lượng tiêu thụ một cách kinh tế. - Với những kiến thức trên sẽ giúp ta tránh được các hoạt động dư thừa và tối ưu quỹ năng lượng. - Các chế độ tiết kiệm có khả năng tiết kiếm năng lượng tiêu thụ của các thanh ghi hay vô hiệu hóa tất cả các chức năng chip khác cho đến Luận văn tốt nghiệp GVHD. - Thông thường, công suất tiêu thụ tăng tỉ lệ nghịch với năng lượng tiêu thụ. - Mức độ năng lượng phụ thuộc vào tần số và băng thông của các bus. - TS Trần Quang Vinh SVTH: Khương Văn Thắng Trang 13 Pin là thành phần cung cấp năng lượng chính cho các nút mạng WSN. - 2.2.Quản lý năng lượng động Các nút WSN có thể được cải tiến bằng cách tính toán các vấn đề được thảo luận trên. - 3.Thu hồi năng lượng. - 2.2.1.Chế độ hoạt động linh động Các phân hệ của một nút cảm biến không dây có thể cấu hình để hoạt động ở chế độ năng lượng khác nhau, tùy thuộc vào hoạt động hiện tại. - Một thành phần của một phân hệ có n mức năng lượng khác nhau. - Chuyển đổi giữa các cấu hình năng lượng khác nhau tốn thêm năng lượng 2. - Chi phí chuyển đổi: Giả sử mỗi phân hệ của một nút cảm biến không dây hoạt động chỉ trong hai chế độ năng lượng duy nhất là bật hoặc tắt. - năng lượng tiêu thụ trong thời gian này là Poff. - năng lượng tiêu thụ trong quá trình chuyển đổi là Poff/on. - và năng lượng tiêu thụ trong một trạng thái bật là Pon. - Năng lượng có thể được bảo tồn trong quá trình chuyển đổi năng lượng (từ trạng thái i đến j, Esaved,j ) được tính bằng. - Trong nỗ lực tối ưu năng lượng tiêu thụ, DPM cần tiêu tốn bao nhiêu năng lượng cho các hoạt động của nó. - TS Trần Quang Vinh SVTH: Khương Văn Thắng Trang 17 hơn để đạt được một cái nhìn tổng quan về tiêu thụ năng lượng của hệ thống và đưa ra các quyết định thích ứng với điều kiện toàn mạng. - Tuy nhiên hiện nay, các phân hệ quản lý năng lượng chưa tích hợp các chức năng này. - Tuy nhiên hiện nay, các phân hệ quản lý năng lượng chưa tích hợp các chứ năng này. - 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. - Liên kết không dây là không 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. - Thứ hai phải giảm thiểu thời gian nghe khi rỗi và tránh nghe thừa gây tiêu hao năng lượng. - Quá 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. - TS Trần Quang Vinh SVTH: Khương Văn Thắng Trang 20 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 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. - TS Trần Quang Vinh SVTH: Khương Văn Thắng Trang 21 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 không có sự kiện thì các nút ở trạng thái ngủ để tiết kiệm năng lượng. - 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 còn 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. - 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. - Bản tin này bao gồm ID của nút, mức năng lượng còn lại và thông tin mô tả dữ liệu cảm biến được sự kiện. - Thực hiện thu thập dữ liệu Năng lượng dùng trong xử lý dữ liệu ít hơn rất nhiều so với năng lượng để truyền tải dữ liệu. - Do đó việc thu thập dữ liệu bằng cách xử lý cục bộ là rất quan trọng để tối thiểu hóa năng lượng sử dụng. - Nút chuyển tiếp có mức năng lượng còn lại lớn nhất - Nút chuyển tiếp càng gần trạm gốc càng tốt. - năng lượng còn lại của nút ứng cử j d(CH,j) và d(j,BS. - TS Trần Quang Vinh SVTH: Khương Văn Thắng Trang 29 Hình 3.4: Mô tả 1 ví dụ về hàm lựa chọn nút chuyển tiếp 3.3 Giao thức EMRP Giao thức Energy-Awared Meshed Routing Protocol (EMRP) [2], là giao thức định tuyến đa đường, có khả năng dự trữ tuyến đường và nhận biết năng lượng nên tỏ ra vượt trội hơn hẳn so với các giao thức định tuyến khác về mặt hiệu quả sử dụng năng lượng, phân bố năng lượng, thời gian sống, tỉ lệ lỗi liên kết và khả năng thích nghi. - Ban đầu, tất cả các nút mạng ở trạng thái nghỉ để tiết kiệm năng lượng. - Bản tin này bao gồm ID của nút, mức năng lượng còn lại và thông tin mô tả dữ liệu cảm biến sự kiện. - RN1 sẽ lưu thông tin về mức năng lượng sử dụng này vào bản tin ENREGY_RELAY và gửi lại cho nhóm trưởng. - Sau đó, nút chuyển tiếp mới tính toán mức năng lượng tiêu thụ trong một lần truyền gói tin dữ liệu và gửi giá trị này tới nhóm trưởng thông qua bản tin ENREGY_RELAY để nhóm trưởng có thể cập nhật lại biến số ERE. - TS Trần Quang Vinh SVTH: Khương Văn Thắng Trang 36 CHƯƠNG 4: TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG Ở LỚP MAC 4.1.Tổng quan chung về tiết kiệm năng lượng của các giao thức lớp MAC Giao thức điều khiển truy nhập đường truyền (MAC) đã được phát triển để giúp mỗi nút quyết định khi nào và làm sao để truy nhập kênh. - Ngoài ra, nó còn phải kiểm soát được năng lượng tiêu thụ ở các cảm biến trong quá trình hoạt động. - Bằng việc rút ngắn thời gian hoạt động đồng thời với duy trì mật độ hoạt động tối thiểu của mạng, các cảm biến có thể dự trữ năng lượng và giúp mạng hoạt động lâu dài. - Thay vì tối ưu mạng để tránh các gói tin overhearing, giao thức XT-MAC trong mạng cảm biến theo dõi mục tiêu ở mức thấp để tránh xung đột, tối ưu năng lượng và tạo ra chu kỳ hoạt động ngắn. - Tiết kiệm năng lượng vì chế độ CSMA/CA không hoa tiêu, không khe thời gian (unbeaconed unslotted CSMA / CA) không cần các gói tin RTS / CTS. - Điều này giúp CH giảm thiểu trễ lan truyền và năng lượng không cần thiết. - TS Trần Quang Vinh SVTH: Khương Văn Thắng Trang 45 Transmit 1 byte 416E-6 ttxb 20 ctxb Sample sensor 1.1 tdata 20 cdata Bảng 4.1: hoạt động cơ bản của một ứng dụng giám sát sử dụng một bộ thu phát CC1000 (Nguồn: trong [4]) Thời gian sống của một nút được xác định bằng tổng thể năng lượng tiêu thụ của nó. - Để thời gian sống là tối đa, rõ ràng mức tiêu thụ năng lượng phải là tối thiểu. - Tổng năng lượng sử dụng có thể được tính bằng tích của E với thời gian sống t1. - Lấy mẫu cảm biến thường tiêu tốn nhiều năng lượng và ảnh hưởng đến thời gian sống của các nút. - Ta có thể gắn tổng thời gian nút sử dụng để nhận và tính toán năng lượng tiêu tốn khi nhận bản tin là Erx. - Năng lượng tiêu thụ của một LPL là 17.3μJ. - Mô phỏng và đánh giá hiệu quả năng lượng của các giao thức trong WSN Thực hiện mô phỏng hệ thống trên máy tính bằng phần mềm OMNET++ nhằm đánh giá hiệu quả năng lượng hoạt động của các giao thức trên. - Mỗi nút có năng lượng 3000mJ tại thời điểm bắt đầu chạy thuật toán. - TS Trần Quang Vinh SVTH: Khương Văn Thắng Trang 64 Hình 5.1: Đồ thị so sánh năng lượng còn lại của 2 giao thức ARPEES và EMRP Nhìn vào 2 bảng trên ta thấy: Sau khoảng 355 giây, năng lượng còn lại ở hệ thống chạy ARPEES là 864 J và ở hệ thống chạy giao thức EMRP là 922J . - Tuy nhiên, khi thời gian mô phỏng càng dài năng lượng tiêu thụ của hệ thống chạy giao thức ARPEES sẽ càng lớn hơn so với hệ thống chạy giao thức EMRP. - Do đó nó sẽ tiết kiệm năng lượng cho quá trình quảng bá bản Luận văn tốt nghiệp GVHD. - Thêm nữa Giao thức EMRP chỉ sử dụng một loại bản tin để tạo nhóm và chọn nhóm trưởng, vì vậy có thể làm giảm số lượng các bản tin điều khiển , đồng thời giảm lượng dữ liệu truyền tải từ các nút tới nhóm trưởng dẫn đến giảm năng lượng cho truyền tải . - TS Trần Quang Vinh SVTH: Khương Văn Thắng Trang 66 Bảng 5.5: Năng lượng còn lại của mạng khi sử dụng giao thức MAC chuẩn 802.15.4 Hình 5.2: Đồ thị so sánh năng lượng còn lại của 3 giao thức MAC Nhìn vào số liệu 3 bảng trên và đồ thị so sánh năng lương ta thấy: Với hệ thống sử dụng giao thức chuẩn IEEE 802.15.4 sau khoảng 240 giây thì hệ thống đã hết năng lượng hoạt động. - Sau khoảng 365 giây, năng lượng còn lại ở hệ thống là 922 J với XT_MAC và 798 J với B-MAC. - Chênh lệch năng lượng Luận văn tốt nghiệp GVHD. - TS Trần Quang Vinh SVTH: Khương Văn Thắng Trang 67 giữa hai giao thức này là khoảng 100J hay nói cách khác, XT_MAC đạt hiệu quả năng lượng tốt hơn 12% so với B-MAC và vượt trội hoàn toàn so với IEEE 802.15.4. - Vì vậy hiệu quả năng lượng của giao thức XT-MAC là tốt hơn so với B-MAC. - Qua đó thấy được tầm quan trọng của các kỹ thuật tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến không dây. - Bên cạnh đó, em cũng đi sâu tìm hiểu phần mềm Omnet++ để xây dựng một kịch bản mô phỏng có thể đánh giá được hiệu quả năng lượng của các giao thưc trong mạng cảm biến không dây. - Kết quả mô phỏng khẳng định giao thức XT-MAC tích hợp giao thực định tuyến EMRP có hiệu quả năng lượng tốt hơn so với các giao thức truyền thống
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt