Luận án nghiên cứu giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng cho mạng cảm biến không dây - Đại học Quốc gia Hà Nội

Nút cảm biến bị giới hạn nghiêm ngặt về bộ nhớ, khả năng tính toán và nguồn pin dự trữ. Hoạt động truyền nhận sóng vô tuyến tiêu hao phần lớn năng lượng của toàn bộ hệ thống. Hiện tượng cạn kiệt năng lượng sớm ở các nút nút thắt cổ chai dẫn đến tình trạng mất kết nối mạng cục bộ. Mạng cảm biến không dây WSN đòi hỏi các giải pháp truyền thông phải giảm thiểu xung đột tín hiệu và hạn chế lắng nghe không tải. Ngoài ra, chi phí truyền tải qua khoảng cách xa làm suy giảm năng lượng cực nhanh. Việc tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ nút mạng cần được thực hiện đồng bộ từ tầng vật lý đến tầng mạng. Cấu trúc định tuyến phải đảm bảo tính thích nghi cao khi topo mạng thay đổi liên tục. Sự phân bố năng lượng không đồng đều giữa các nút là thách thức lớn nhất cần khắc phục.

Luận án tập trung phân tích và đề xuất các giải pháp định tuyến mới nhằm giải quyết bài toán tiêu hao năng lượng. Nghiên cứu tiến hành đánh giá toàn diện các kỹ thuật phân nhóm, kết nối chuỗi và định tuyến cây tối thiểu. Mục tiêu cốt lõi là tối ưu hóa quá trình truyền dữ liệu từ nguồn về trạm cơ sở BS. Đóng góp nổi bật của công trình là cải tiến các lược đồ định tuyến hiện hữu, giảm thiểu năng lượng hao phí trong khâu truyền thông vô tuyến. Các giải pháp đề xuất tăng cường khả năng cân bằng tải, phân phối đều gánh nặng tiêu thụ giữa các nút. Kết quả thử nghiệm chứng minh tuổi thọ toàn mạng được gia tăng rõ rệt so với các giao thức truyền thống. Công trình cung cấp cơ sở khoa học quan trọng cho việc thiết kế mạng cảm biến tiết kiệm năng lượng thực tế.

Giao thức định tuyến phân cấp phân bổ các nút cảm biến vào từng cấu trúc logic rõ ràng. Cấu trúc phổ biến gồm có dạng cụm, dạng chuỗi và dạng cây. Trong cấu trúc cụm, các nút thành viên chỉ gửi thông tin về cho nút cụm trưởng đại diện. Trong cấu trúc chuỗi, thông tin được chuyển tiếp tuần tự giữa các nút lân cận trước khi gửi về trạm đích. Cấu trúc cây tối thiểu tối ưu hóa độ dài tuyến đường truyền thông. Mỗi mô hình sở hữu những đặc tính riêng biệt phù hợp với từng kịch bản ứng dụng cụ thể. Việc lựa chọn cấu trúc tối ưu phụ thuộc vào khoảng cách địa lý, mật độ nút và yêu cầu độ trễ. Sự phối hợp linh hoạt giữa các mô hình đem lại hiệu quả tiết kiệm năng lượng WSN vượt trội.

Các nút cảm biến đặt gần nhau thường ghi nhận dữ liệu có tính chất tương đồng và dư thừa cao. Quá trình thu thập và tổng hợp dữ liệu data aggregation loại bỏ các thông tin trùng lặp trước khi gửi đi. Nút trung gian thực hiện nén dữ liệu, tính giá trị trung bình hoặc tìm giá trị cực trị. Thao tác này giúp giảm kích thước gói tin truyền qua môi trường vô tuyến một cách rõ rệt. Nhờ đó, năng lượng tiêu hao cho truyền thông giảm mạnh trên toàn tuyến. Kỹ thuật tổng hợp dữ liệu còn hạn chế tắc nghẽn kênh truyền và nâng cao thông lượng tổng thể. Đây là thành phần không thể thiếu trong mọi giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng hiện đại.

Hiệu quả sử dụng năng lượng đòi hỏi sự phối hợp chặt chẽ giữa giao thức mạng và cơ chế điều khiển truy nhập môi trường. Nút cảm biến cần được chuyển sang chế độ ngủ năng lượng thấp khi không có gói tin cần xử lý. Cơ chế lắng nghe định kỳ giúp tiết kiệm đáng kể nguồn pin dự trữ. Việc tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ nút mạng cũng yêu cầu phân bổ công suất phát sóng tương ứng với khoảng cách truyền. Khi giảm thiểu khoảng cách truyền đơn chặng, mức tiêu hao năng lượng giảm theo hàm phi tuyến. Sự kết hợp giữa điều chỉnh công suất phát và lập lịch ngủ thông minh tạo nên một hệ thống bền bỉ, tối ưu.

Nguyên lý định tuyến dựa trên phân cụm clustering giúp gom nhóm các nút lân cận vào từng cụm riêng biệt. Nút cụm trưởng chịu trách nhiệm thu gom dữ liệu từ các nút thành viên, nén dữ liệu và truyền trực tiếp về trạm cơ sở. Tuy nhiên, giao thức LEACH nguyên bản sử dụng xác suất ngẫu nhiên thuần túy để bầu chọn cụm trưởng. Quá trình này không tính toán đến dung lượng pin thực tế và khoảng cách vật lý đến trạm cơ sở. Hậu quả là các nút có mức năng lượng thấp vẫn có thể bị chọn làm cụm trưởng và nhanh chóng cạn kiệt pin. Ngoài ra, sự phân bố cụm trưởng không đồng đều tạo ra sự mất cân đối tải nghiêm trọng trong mạng.

Để khắc phục bài toán chọn cụm trưởng bất hợp lý, nghiên cứu áp dụng thuật toán tối ưu bầy đàn PSO trong WSN. Thuật toán PSO mô phỏng hành vi di chuyển thông minh của bầy chim để tìm kiếm nghiệm tối ưu toàn cục. Hàm mục tiêu được xây dựng dựa trên nhiều tiêu chí: mức năng lượng dư thừa, khoảng cách nội cụm và khoảng cách tới trạm cơ sở. Các hạt trong bầy liên tục cập nhật vị trí để xác định tập hợp cụm trưởng lý tưởng nhất. Phương pháp này ngăn chặn hiện tượng nút yếu phải gánh tải nặng. Nhờ việc tối ưu hóa vị trí cụm trưởng, chi phí truyền thông toàn mạng giảm đi đáng kể.

Mô phỏng thực nghiệm chứng minh giao thức LEACH cải tiến vượt trội hơn hẳn so với giao thức LEACH truyền thống. Số lượng nút sống sót qua từng chu kỳ hoạt động duy trì ở mức cao và ổn định. Thời điểm nút đầu tiên chết bị trì hoãn đáng kể, giúp tăng cường tính toàn vẹn của dữ liệu quan trắc. Năng lượng tiêu hao trung bình trong mỗi vòng giảm rõ rệt. Việc cân bằng năng lượng hiệu quả giữa các cụm giúp kéo dài tuổi thọ mạng cảm biến một cách toàn diện. Hệ thống đáp ứng tốt các yêu cầu khắt khe trong môi trường giám sát thực tế dài ngày.

Giao thức chuỗi kinh điển PEGASIS dễ gặp hiện tượng trễ truyền tin và nút đầu chuỗi bị quá tải. Luận án đề xuất thuật toán cải tiến chuỗi dài DFCB cùng lược đồ xây dựng cụm chuỗi SCBC. Lược đồ SCBC kết hợp linh hoạt giữa phân cụm và chuỗi nhằm thu ngắn chiều dài đường truyền. Quy trình gồm giai đoạn thiết lập cụm chuỗi cục bộ và giai đoạn luân phiên chọn nút phát về trạm cơ sở. Nút đại diện được bầu chọn căn cứ vào năng lượng dư và khoảng cách tối ưu. Thuật toán mới phân tán đều tải trọng dữ liệu, hạn chế nút thắt cổ chai và giảm đáng kể độ trễ truyền gói tin.

Giao thức định tuyến đa chặng multi-hop trên cấu trúc chuỗi chia nhỏ cự ly truyền thông giữa các thực thể mạng. Nút gửi không cần phát tín hiệu công suất lớn để đến thẳng trạm cơ sở xa xôi. Gói tin di chuyển qua từng chặng ngắn với mức suy hao năng lượng cực thấp. Việc luân chuyển nút truyền cuối cùng trong chuỗi giúp ngăn chặn hiện tượng cạn pin sớm cục bộ. Mô hình đa chặng còn bảo toàn tính liên tục của tuyến truyền khi một vài nút gặp sự cố gián đoạn. Năng lượng tiêu hao tổng thể của mạng cảm biến được kiểm soát ở mức tối thiểu.

Thuật toán xây dựng cụm cây DFTBC thiết lập các nhánh cây tối ưu dựa trên khoảng cách và năng lượng nút. Các nút trong mạng được đồng bộ hóa để luân chuyển trạng thái hoạt động và nghỉ ngơi hợp lý. Giao thức SSTBC tích hợp thuật toán lập lịch ngủ thông minh cho các nút không tham gia chuyển tiếp. Khi một nhánh cây không có dữ liệu cần gửi, các nút thành viên lập tức chuyển sang trạng thái ngủ sâu. Cơ chế này loại bỏ hoàn toàn hiện tượng tiêu hao năng lượng do lắng nghe thụ động trên kênh truyền vô tuyến. Sự kết hợp giữa cây tối thiểu và lập lịch ngủ tạo nên hiệu năng sử dụng năng lượng vượt bậc.

Các kết quả mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng thể hiện rõ ưu thế của giao thức SSTBC so với PEGASIS và STDC. Mức tiêu thụ năng lượng của SSTBC giảm hơn 30% trong các tình huống thử nghiệm mật độ cao. Thời gian sống của mạng tăng lên rõ rệt nhờ việc giảm tải cho các nút trung gian. Độ ổn định và tỷ lệ phân phát gói tin thành công đạt mức gần như tuyệt đối. Đồ thị tiêu hao năng lượng theo chu kỳ chứng minh tốc độ suy giảm năng lượng diễn ra rất chậm và đồng đều. Giao thức SSTBC khẳng định tính khả thi cao trong triển khai thực tế cho các hệ thống giám sát lâu dài.