Luận án tiến sĩ: Giải pháp cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây đa sự kiện - Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN Mạng cảm biến không dây (WSN) đã, đang và tiếp tục là lĩnh vực được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm và phát triển mở rộng [15], [55], [74]. Dự báo từ những năm đầu thế kỷ 21 cho thấy trong tương lai cảm biến sẽ là phần không thể thiếu trong cuộc sống hơn nhiều so với các máy vi tính hiện dùng và trong thế giới IoT thì thiết bị cảm biến là một trong những thành phần thiết yếu [152], [154]. Những công nghệ không dây và vi cơ điện tử (MEMS) đã cho phép triển khai nhiều ứng dụng WSN trong những điều kiện mạng đặc biệt và khắc nghiệt, nó cho phép thay thế con người hay các thiết bị truyền thông thông dụng trong các lĩnh vực quân sự, giao thông, y tế, môi trường, công nông nghiệp …[12], [15], [51], [55], [80], [112], [113]. Trong giai đoạn phát triển ban đầu, với các ứng dụng cảm biến chuyên biệt, các cảm biến trong một mạng chỉ có nhiệm vụ cảm nhận những trạng thái hay quá trình vật lý/hóa học ở môi trường cần khảo sát, biến đổi chúng thành thông tin về trạng thái hay quá trình đó rồi gửi tín hiệu mang thông tin qua hạ tầng truyền thông về trung tâm để xử lý.

Sau đó, trung tâm sẽ đưa ra cảnh báo/điều khiển cho mạng. Ngày nay, những yêu cầu ứng dụng đa dạng cần kết hợp nhiều kiểu loại cảm biến như ứng dụng trong cảnh báo cháy rừng, công nghiệp hầm mỏ, nông nghiệp thông minh, nhà thông minh hay y tế thông minh [59], [66], [126], [151], [152], [156], các cảm biến cần có khả năng phân tích thông tin về nhiều loại sự kiện khác nhau rồi gửi cảnh báo về trung tâm và với mỗi sự kiện sẽ có thể có những yêu cầu truyền thông khác nhau như độ trễ, tốc độ, độ tin cậy, độ ưu tiên …[15], [46], [51], [65], [116], [130], [146]. Như vậy ngoài rất nhiều thách thức trong việc thiết kế các mạng cảm biến không dây do đặc điểm khác biệt của mạng này so với mạng truyền thông truyền thống: số lượng thông tin cảm biến lớn, kích thước của nút cảm biến nhỏ, năng lượng hạn chế trong môi trường có độ tổn thất cao và phải có khả năng tự vận hành, 2 quản lý của mạng cảm biến còn có thêm thách thức về việc thiết kế mạng sao cho có thể đáp ứng nhiều yêu cầu khác nhau về chất lượng dịch vụ (QoS) của nhiều sự kiện trong mạng. Trong những năm gần đây, đã có nhiều nghiên cứu về mạng cảm biến không dây đa sự kiện với nhiệm vụ truyền thông của thiết bị cảm biến được thực hiện khi xuất hiện sự kiện đặc biệt trong mạng và có nhiều sự kiện cùng xuất hiện trong mạng với những yêu cầu chất lượng khác nhau.

Những nghiên cứu này đang thu hút khá nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học [51], [65], [76], [115], [116], [130]. Tuy nhiên, những nghiên cứu đi trước mới chỉ đáp ứng được một vài yêu cầu về chất lượng về trễ, độ tin cậy và/hoặc sử dụng hiệu quả năng lượng của mạng, hiếm khi giải quyết được nhiều yêu cầu khác biệt cùng xuất hiện trong mạng. Chính vì vậy, cần có thêm những nghiên cứu chuyên sâu để theo kịp và phù hợp với nhu cầu phát triển nhanh của những ứng dụng WSN đa sự kiện. Xuất phát từ các phân tích trên, nghiên cứu sinh đã quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu giải pháp cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây đa sự kiện” cho luận án nghiên cứu của mình.

MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Mục tiêu nghiên cứu: Luận án nghiên cứu, tìm kiếm và xây dựng các giải pháp cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây, cụ thể là giảm được thời gian trễ truyền gói, tăng độ tin cậy và đảm bảo sử dụng năng lượng hiệu quả. Để đạt được mục tiêu này, luận án tiếp cận theo hai hướng: (1) đề xuất giải thuật định tuyến và lựa chọn ưu tiên phù hợp với yêu cầu ứng dụng, (2) đề xuất giao thức MAC có xét tới mức độ ưu tiên của dữ liệu. Trên cơ sở phân tích, so sánh với các tác giả trước, luận án sẽ chứng minh cách tiếp cận của mình qua tính toán toán học và mô phỏng rời rạc. Đối tượng nghiên cứu: Luận án nghiên cứu các vấn đề liên quan tới giải pháp cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây, bao gồm: - Kỹ thuật định tuyến đa đường linh hoạt theo sự kiện và có nhận thức năng lượng trong WSN.

3 - Giao thức MAC ưu tiên trong WSN. Phạm vi nghiên cứu được đề cập trong Luận án - Mạng cảm biến bao gồm số lượng nút hữu hạn có vị trí cố định với phân bố ngẫu nhiên trong trường cảm biến có phạm vi giới hạn. - Nút cảm biến là đồng nhất (về cấu trúc, năng lượng, phạm vi thu phát) tại thời điểm mạng bắt đầu hoạt động. Suy hao năng lượng của cảm biến phụ thuộc vào hoạt động thu, phát ngẫu nhiên của cảm biến.

- Các sự kiện xuất hiện trong mạng cảm biến là ngẫu nhiên theo thời gian. Có những thời điểm nhiều sự kiện cùng xuất hiện. - Các sự kiện có thể có yêu cầu chất lượng khác nhau và đã được phân loại trước khi được truyền đi. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Trên cơ sở các nhiệm vụ nghiên cứu vừa nêu, phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận án là nghiên cứu lý thuyết dựa trên việc phân tích giao thức, phân tích toán học kết hợp với mô phỏng số và đối sánh với các phương pháp trước đây.

Cụ thể, phương pháp nghiên cứu lý thuyết được sử dụng cho các nghiên cứu về nguyên lý hoạt động của mạng cảm biến không dây và các giao thức định tuyến cũng như giao thức MAC. Phương pháp tính toán số kết hợp với công cụ phần mềm mô phỏng được sử dụng để kiểm chứng nghiên cứu lý thuyết và đối sánh với các phương pháp trước. CÁC ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN ÁN Các kết quả đóng góp mới về khoa học của luận án có thể phân thành hai nhóm chính hướng tới đối tượng nghiên cứu mới là mạng cảm biến không dây đa sự kiện xuất hiện đồng thời: Đóng góp thứ nhất của luận án là đề xuất 02 giải pháp cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây đa sự kiện sử dụng kỹ thuật định tuyến linh hoạt: (1) giải pháp thứ nhất là đề xuất giao thức định tuyến DRPDS kết hợp định tuyến linh hoạt theo mức độ ưu tiên của sự kiện với cơ chế truyền gói tin theo kiểu sự kiện khác 4 nhau để đáp ứng những yêu cầu QoS khác biệt của các sự kiện có mức ưu tiên khác nhau và (2) giải pháp thứ hai là đề xuất giải thuật định tuyến EARPM là phiên bản cải tiến từ giải thuật DRPDS ở đề xuất thứ nhất với giải thuật định tuyến phát triển dựa trên việc nhận thức năng lượng còn lại kết hợp với tính toán khoảng cách để nâng cao hiệu quả tiêu thụ năng lượng nhằm kéo dài thời gian sống của mạng. Kết quả phân tích toán học và mô phỏng cho thấy hiệu quả của hai giải pháp là đáp ứng được yêu cầu khác nhau về trễ và độ tin cậy của ba loại sự kiện khác nhau và vẫn đảm bảo sử dụng hiệu quả năng lượng, kéo dài thời gian sống của mạng.

Đóng góp thứ hai của luận án là đề xuất giải pháp cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây đa sự kiện sử dụng giao thức MAC ưu tiên PMME. Giao thức này kết hợp cơ chế CSMA p-persistent thay đổi theo mức độ ưu tiên của dữ liệu với cơ chế nhận sớm Beacon. Kết quả phân tích toán học và mô phỏng cho thấy giải pháp đã mang lại hiệu quả về mặt chất lượng mạng như giảm trễ truyền dữ liệu, đảm bảo tỷ lệ truyền gói thành công cao mà vẫn sử dụng năng lượng hiệu quả. BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN Luận án được bố cục thành ba chương với các nội dung chính như sau: Chương 1 “Tổng quan về vấn đề nghiên cứu”.

Chương này trình bày tổng quan về mạng cảm biến không dây. Các tham số hiệu năng cũng được giới thiệu trong chương. Nội dung chính của chương sẽ tập trung khảo sát các nghiên cứu liên quan đến hiệu năng mạng cảm biến không dây, khảo sát hai phương thức tiếp cận sử dụng giao thức định tuyến và giao thức MAC để cải thiện hiệu năng mạng cảm biến định hướng sự kiện đa mức ưu tiên, từ đó thấy được những hạn chế của các nghiên cứu trước đây và đề xuất hướng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu cũng như phương thức tiếp cận của luận án. Một phần nội dung trình bày trong Chương 1 liên quan đến tìm kiếm giải pháp đáp ứng đa sự kiện sự kiện trong WSN đã được trình bày trong tạp chí [J1].

Chương 2 “Cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây đa sự kiện sử dụng giao thức định tuyến linh hoạt”. Chương này tìm hiểu và nghiên cứu một số giải pháp định tuyến linh hoạt theo sự kiện trong mạng cảm biến. Từ đó đưa ra hai 5 đề xuất: (1) đề xuất giao thức định tuyến DRPDS kết hợp định tuyến linh hoạt theo mức độ ưu tiên của sự kiện với cơ chế truyền gói tin theo kiểu sự kiện khác nhau để đáp ứng những yêu cầu QoS khác biệt của các sự kiện có mức ưu tiên khác nhau và (2) đề xuất giải thuật định tuyến EARPM là phiên bản cải tiến từ giải thuật DRPDS với giải thuật định tuyến phát triển dựa trên việc nhận thức năng lượng còn lại kết hợp với tính toán khoảng cách để nâng cao hiệu quả tiêu thụ năng lượng nhằm kéo dài thời gian sống của mạng. Đóng góp mới của luận án trong chương này là đề xuất 02 giải pháp cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây đa sự kiện có tên là DRPDS và EARPM, phân tích toán về hiệu quả của việc truyền nhân tải lên đa đường làm tăng độ tin cậy của việc truyền gói tin và truyền san tải lên đa đường làm giảm thời gian trễ của gói tin trong điều kiện mạng có nghẽn.

Cuối cùng là sử dụng công cụ mô phỏng số OMNeT++ để đối sánh với phương pháp định tuyến trước đây là GPSR [73]. Nội dung của Chương 2 liên quan đến giải pháp đề xuất đã được công bố trong 02 bài báo đăng trên tạp chí JSTIC [J1, J2], 01 bài báo đăng trên tạp chí Khoa học và Công nghệ Quân sự [J3] và báo cáo tại 02 hội nghị quốc tế [C1, C2]. Chương 3 “Cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây đa sự kiện sử dụng giao thức MAC ưu tiên”.