Giải pháp định tuyến thích nghi năng lượng trong mạng cảm biến không dây

53 
T¹p chÝ KHKT Má - §Þa chÊt, sè 53, 01/2015, tr.53-57 
CƠ - ĐIỆN MỎ (trang 53-57) 
GIẢI PHÁP ĐỊNH TUYẾN THÍCH NGHI NĂNG LƯỢNG 
TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 
ĐỖ XUÂN THIỆU, Trường Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội 
Tóm tắt: Mạng cảm biến không dây có đặc thù là có thể gửi và nhận thông tin trong các điều 
kiện địa hình khác nhau. Nguồn cung cấp cho các nút cảm biến ở các điều kiện khác nhau, có 
thể được thực hiện bằng các dạng nguồn khác nhau, như nguồn ắc quy, pin, pin mặt trời, 
nguồn chỉnh lưu dòng điện xoay chiều,Vấn đề định tuyến trong mạng, kết nối thông tin giữa 
các nút và trung tâm trong các mạng như vậy cần phối hợp đồng bộ giữa các nguồn, đảm bảo 
độ tin cậy và kéo dài thời gian sống của mạng là rất cần thiết. Bài báo này đưa ra một giải 
pháp định tuyến, tính đến đặc tính năng lượng nguồn cung cấp trong các nút mạng. Bằng 
cách tính toán hàm giá phụ thuộc khoảng cách giữa các nút, độ dốc năng lượng và công suất 
phát tại nút gốc, giao thức định tuyến sẽ lựa chọn được con đường tối ưu theo hàm giá thấp 
nhất để truyền dữ liệu. Kết hợp việc xác định năng lượng còn lại trên mỗi nút và hàm giá, giải 
pháp định tuyến này sẽ đảm bảo định tuyến tối ưu theo sự nhận thức về năng lượng, đồng thời 
thích hợp với mạng có các nút mạng được cấp với các loại nguồn khác nhau. 
1. Đặt vấn đề 
Mạng cảm biến không dây được ứng dụng 
rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: giám sát kết 
cấu của công trình (cầu, tòa nhà...), theo dõi cuộc 
sống của các loài thú hoang dã, theo dõi điều 
khiển môi trường chuồng trại; cảnh báo cháy 
rừng, phát hiện rò rỉ hóa chất trong các nhà máy, 
giám sát các tòa nhà thông minhMột nút cảm 
biến thông thường bao gồm các thành phần sau: 
bộ vi xử lý nhỏ và sử dụng năng lượng ít (low 
power processor), bộ nhớ (Memory), Radio để 
truyền dữ liệu không dây, nguồn điện (power 
source) và các bộ cảm biến (sensors) [1]. 
Thiết kế các giao thức định tuyến của mạng 
cảm biến không dây phải xem xét đến công suất 
và tài nguyên hạn chế của các nút mạng, đặc tính 
thay đổi theo thời gian của kênh truyền vô tuyến 
và khả năng trễ hay mất gói. Nhiều giao thức 
định tuyến đã được đưa ra. Dạng thứ nhất là giao 
thức dành cho kiến trúc mạng phẳng trong đó tất 
cả các nút xem như cùng cấp. Kiến trúc phẳng có 
nhiều lợi ích như tối thiểu phần đầu khung 
(overhead) để xây dựng hạ tầng mạng và có khả 
năng tìm ra nhiều đường liên lạc giữa các nút với 
sai số cho phép. Dạng thứ hai dùng trong mạng 
có cấu trúc tiết kiệm năng lượng, ổn định và khả 
năng mở rộng. Trong dạng này, các nút mạng 
được sắp xếp vào các cụm (cluster), trong đó một 
nút có năng lượng lớn nhất đóng vai trò nút chủ 
(cluster head). Nút chủ có trách nhiệm phối hợp 
các hoạt động giữa các nút trong cụm và chuyển 
thông tin giữa các cụm. Việc phân hoạch này 
giảm được năng lượng tiêu thụ và kéo dài thời 
gian sống của mạng. Dạng thứ ba dùng phương 
pháp hướng dữ liệu (data-centric) để phân bổ yêu 
cầu trong mạng. Phương pháp này dựa trên thuộc 
tính, ở đó một nút nguồn truy vấn đến một thuộc 
tính của hiện tượng nào đó hơn là một nút cảm 
biến riêng biệt. Việc phân tán yêu cầu thực hiện 
bằng cách phân nhiệm vụ cho các nút cảm biến 
và định rõ một thuộc tính riêng biệt cho các nút. 
Dạng thứ tư dùng vị trí để chỉ ra một nút cảm 
biến. Định tuyến dựa trên vị trí rất hữu ích cho 
các ứng dụng mà vị trí của nút trong một vùng 
địa lý có thể được hỏi bởi nút nguồn. Yêu cầu 
như thế có thể định rõ vùng nào đó mà các hiện 
tượng quan tâm có thể xảy ra hay lân cận với 
điểm đặc biệt nào đó trong vùng hoạt động của 
mạng. 
Giao thức cây thu thập dữ liệu CTP 
(Collection Tree Protocol) được xây dựng dựa 
trên phương pháp tiếp cận định tuyến phẳng, tự 
54 
tổ chức. Giao thức CTP cho phép truyền thông 
hiệu quả từ các nút mạng trong trường cảm biến 
đến một trong các nút gốc [3]. 
Giao thức CTP thực thi cơ chế thu thập dữ 
liệu tin cậy từng bước nhảy [2]. Các nút tự tổ 
chức thành một cấu trúc dạng cây và dữ liệu luôn 
được gửi về nút cha (parent) cho tới khi đến được 
đỉnh của cây (nút gốc). Nút gốc được gán là đỉnh 
của cây và tất cả các nút khác được khởi tạo là 
các nút lá. Các nút sẽ cập nhật vị trí của nó trong 
cây và quá trình này được mở rộng dần ra với 
điểm xuất phát ban đầu là từ nút gốc. Dữ liệu 
được gửi qua một cấu trúc cây đến nút gốc. 
Trong giao thức CTP, thước đo định tuyến được 
sử dụng là số lần truyền kỳ vọng-ETX (Expected 
Transmission). Thước đo chất lượng liên kết của 
một tuyến đường – rtmetric (route metric) được 
xác định bằng tổng ETX của tất cả các liên kết 
trên toàn tuyến đường đó. Vị trí của các nút trong 
cây được xác định bởi thước đo tuyến đường 
rtmetric. Nút gốc ở đỉnh cây có giá trị rtmetric = 
0. Các nút lá sẽ có giá trị rtmetric càng lớn khi 
càng xa nút gốc. Tuyến đường có giá trị rtmetric 
càng lớn thì chất lượng các liên kết thuộc tuyến 
đường càng thấp. Tuyến đường tốt nhất là tuyến 
đường có rtmetric nhỏ nhất. Đây là tuyến đường 
có tổng số lần truyền kỳ vọng ETX đến nút gốc 
là nhỏ nhất và cũng là tuyến đường hiệu quả về 
mặt năng lượng nhất. 
 Giao thức CTP đã được coi là một giao 
thức thu thập dữ liệu đạt hiệu quả cao về mặt 
năng lượng tiêu thụ cũng như tỷ lệ chuyển phát 
thành công bản tin dữ liệu trong mạng. Các kết 
quả đánh giá cho thấy giao thức CTP đạt được 4 
mục tiêu chính đó là: độ tin cậy cao, khả năng 
chống lỗi tốt, hiệu quả về năng lượng và độc lập 
với nhiều kiến trúc phần cứng khác nhau. 
Tuy nhiên giao thức CTP hiện tại không có 
sự nhận thức về mức năng lượng còn lại trên các 
nút mạng. Giao thức CTP chỉ dựa vào thước đo 
định tuyến ETX để lựa chọn tuyến đường tối ưu. 
Thước đo định tuyến ETX không giải quyết được 
vấn đề năng lượng giữa các nút mạng. Bởi vậy, 
giao thức dễ bị mất cân bằng năng lượng. Các nút 
mạng thuộc tuyến đường tối ưu phải thực hiện 
nhiều việc truyền dẫn hơn các nút khác. Vậy nên 
chúng sẽ hết năng lượng nhanh hơn các nút khác 
và tạo ra các lỗ hổng trong mạng, làm giảm hiệu 
năng của toàn bộ hệ thống mạng. Đây là một 
trong những thách thức quan trọng trong các 
mạng cảm biến không dây hoạt động bằng pin. 
Vấn đề đặt ra khi thiết kế tối ưu cho giao 
thức định tuyến: 
Thứ nhất, cần phải xác định được năng 
lượng còn lại trên mỗi nút cảm biến. Cách xác 
định năng lượng còn lại trên mỗi nút cảm biến 
cần thực hiện bằng phần mềm tính toán và được 
triển khai trên nhiều kiến trúc phần cứng khác 
nhau. 
Thứ hai, cần phải đưa ra một thước đo năng 
lượng dựa trên thông tin về năng lượng còn lại 
trên mỗi nút cảm biến và đặc trưng của từng loại 
nguồn cấp thông qua những tính toán thống kê 
về thời gian sống của nguồn. Thước đo định 
tuyến phản ánh đúng các trạng thái năng lượng 
còn lại trên mỗi nút cảm biến, thích nghi với các 
loại nguồn cấp khác nhau. Thước đo định tuyến 
này được phát quảng bá cho các nút lân cận 
thông qua các bản tin điều khiển và được cập 
nhật thường xuyên trong bảng định tuyến của các 
nút lân cận. 
Thứ ba, tuyến đường tối ưu được lựa chọn 
trong giao thức phải thỏa mãn các tiêu chí của 
việc định tuyến trong mạng cảm biến không 
dây đó là tuyến đường lựa chọn phải có tỷ lệ 
chuyển phát bản tin dữ liệu thành công đến nút 
gốc ở mức cao và đây cũng là tuyến đường hiệu 
quả nhất về mặt năng lượng. 
Định tuyến có sự nhận thức về năng lượng 
[1], [4] tại các nút mạng đã là giải pháp không 
mới, nhưng thông thường chỉ áp dụng cho các 
nút có cùng một loại nguồn cung cấp. Các loại 
nguồn khác nhau sẽ có dung lượng nguồn khác 
nhau, tuổi thọ khác nhau nên nhận thức về năng 
lượng cần phải biết thêm về chu trình sống của 
nguồn. 
Như vậy giải pháp định tuyến đề xuất trong 
bài báo này sẽ hướng tới xác định năng lượng 
còn lại và độ dốc năng lượng của nguồn cung cấp 
đảm bảo độ tin cậy, kéo dài thời gian sống và 
thích nghi với các loại nguồn cung cấp khác nhau 
cho các nút mạng. 
2. Định tuyến thích nghi trên cơ sở nhận thức 
về năng lượng tại các nút mạng 
Năng lượng là vấn đề quan trọng trong các 
mạng cảm biến không dây. Nếu năng lượng tiêu 
55 
thụ trên các nút cảm biến có thể ước lượng được 
thì các giao thức định tuyến có thể lựa chọn các 
tuyến đường tối ưu dựa vào thông tin năng lượng 
còn lại trên mỗi nút cảm biến nhằm tăng độ tin cậy 
truyền tin và thời gian sống của toàn mạng lên. 
2.1. Thước đo chỉ số năng lượng còn lại EI 
Giả sử rằng các nút ban đầu được tích trữ đầy 
năng lượng và chỉ số năng lượng còn lại (EI-
Energy Indicator) của mỗi nút đều là 100%. Chỉ 
số năng lượng còn lại trên mỗi nút cảm biến tại 
một thời điểm bất kỳ t có thế được tính bẳng công 
thức sau [4]: 
_
(%) 100%
o
residual energy
E x
E
I  (1) 
trong đó: 
residual_energy: là năng lượng còn lại trên 
nút cảm biến. Năng lượng còn lại tại thời điểm t 
bất kỳ của nút cảm biến được xác định bởi công 
thức: 
residual_energy=E0 – consumption_ energy (2) 
trong đó: consumption_ energy là năng lượng 
tiêu thụ trên nút cảm biến tại thời điểm t. Năng 
lượng tiêu thụ trên nút cảm biến được xác định 
theo mô hình năng lượng tuyến tính. 
E0: Là năng lượng ban đầu của nút cảm biến. 
Bảng 1.1. các trạng thái năng lượng của nút 
cảm biến 
Bảng 1.1 minh họa các trạng thái năng lượng 
của nút. Bốn trạng thái thước đo năng lượng và 
trạng thái năng lượng còn lại ES (Energy States) 
được sử dụng làm thước đo định tuyến. Nút cha 
được lựa chọn để chuyển tiếp bản tin dữ liệu phải 
có trạng thái năng lượng còn lại ở mức cao (chỉ 
số năng lượng còn lại EI lớn hơn hoặc bằng một 
ngưỡng cho trước). Trạng thái năng lượng còn lại 
ES của mỗi nút cần phải được gửi thường xuyên 
cho các nút lân cận để các nút lân cận biết và cập 
nhật lại trạng thái năng lượng ES trong bảng định 
tuyến. 
2.2. Thước đo năng lượng thích nghi 
Sườn dốc năng lượng thích nghi được đánh 
giá bằng hàm giá trong ma trận năng lượng 
giữa các nút [1]. Hàm giá của mỗi liên kết giữa 
hai nút tỷ lệ thuận với khoảng cách Dij, tỷ lệ 
nghịch với độ dốc năng lượng trong một chu 
trình sống của nguồn: 
ij ij
0 in
1 1
C D
S P
   (3) 
trong đó, Pin là công suất phát tín hiệu tại 
nguồn (nút gốc) và: 
0
0
m
E
S
t
 (4) 
với: E0 là năng lượng nguồn ban đầu (năng lượng 
đầy) và tm là thời gian sống của nguồn. Các giá 
trị  và  được chọn để có thể thực hiện được 
giao thức. Hàm giá ngoài phụ thuộc vào công 
suất phát tại nút gốc, khoảng cách giữa hai nút 
định tuyến còn phụ thuộc vào độ dốc năng lượng 
của một chu trình sống của nguồn cung cấp. Với 
các nguồn cấp khác nhau, sườn dốc năng lượng 
khác nhau sẽ có hàm giá khác nhau. Như vậy, 
định tuyến trên cơ sở hàm giá sẽ thích nghi với 
từng loại nguồn trong mạng. 
Định tuyến thích nghi năng lượng, trên cơ sở 
định tuyến theo cây thu thập số liệu CTP, có sự 
nhận thức về năng lượng và bổ sung thêm tham 
số thích nghi năng lượng, mang thông tin về dạng 
nguồn cung cấp khác nhau. 
3. Mô phỏng định tuyến 
Mô phỏng định tuyến nhận thức theo năng 
lượng được thực hiện bằng phần mềm Prowler 
trong môi trường Matlab. Trong mô phỏng, lớp 
MAC được tách ra bằng cách truyền trực tiếp các 
gói từ lớp truyền của một nút tới lớp truyền của 
các nút lân cận. Từ đó có thể đánh giá được 
những thuận lợi của một phương pháp định tuyến 
một cách độc lập trong lớp MAC. Tuy nhiên, 
đánh giá đầy đủ giao thức cũng cần phải có thực 
hiện thực tế của lớp MAC. Mô phỏng thực hiện 
với các nút sử dụng một số loại nguồn có dung 
lượng và tuổi thọ khác nhau. 
Trạng 
thái năng 
lượng 
Chỉ số EI Mô tả 
Ngưỡng 
chỉ số EI 
0 30%-100% 
Nhiều năng 
lượng 
30% 
1 10%-30% 
Thiếu hụt 
năng lượng 
10% 
2 5%-10% 
Thiếu nhiều 
năng lượng 
5% 
3 0-5% 
Hết năng 
lượng 
0 
56 
Thông tin được phát đi từ một nút, nút nào 
nhận được đầu tiên sẽ là các nút cha chuyển tiếp 
các gói tin tới tất cả các nút còn lại. Mỗi nút con 
hiển thị chỉ số của nút cha và chặng hop (nút cha 
/hop): các LED màu đỏ cho các hop 1,..2, màu 
xanh 3,..5 (hình 1). Theo kết quả mô phỏng với 
số nút mạng 5x5 đặt theo ma trận, xuất phát từ 
nút gốc, nút cha nút số 1. Các nút cha tiếp theo 
có năng lượng còn lại lớn nhất và hàm giá thấp 
nhất nút số 7 có tọa độ (4,2),.. định tuyến theo 
các nhánh tiếp tạo thành dạng cây. 
Hình 1. Kết quả mô phỏng định tuyến cấu trúc 
cây thích nghi năng lượng 
Mô hình truyền radio xác định độ lớn của 
tín hiệu từ một nút tới tất cả các điểm thu của 
hệ thống. Độ lớn của tín hiệu cùng với độ nhạy 
của điểm thu sẽ quyết định điều kiện nhận các 
gói tín hiệu. Độ lớn tín hiệu phát theo công suất 
Pt và công suất nơi nhận Pr, xác định theo hàm 
truyền đánh giá sự suy giảm tín hiệu theo 
khoảng cách D và nhiễu ngẫu nhiên (theo công 
thức Pister-Hack) [2]. 
r t v
1
P P rand[0.. 40]dBm
1 D
  

 (5) 
Hình 2. Các tham số kênh radio 
Đồ thị hình 2 hiển thị các tham số kênh radio 
(radio chanel) với công suất phát tín hiệu (Signal 
power) chuẩn hóa (P-trans=1), cho biết các mức 
công suất nhận theo khoảng cách truyền trong 
môi trường lý tưởng P_rec_id [1], [2]: 
P_rec_id=Ptrans*f(x) với f(x)=1/(1+x.2 (6) 
và khi có Fadinh P_rec: 
P_rec= P_rec_id*(1+alpha(x))*(1+beta(t)) (7) 
trong đó alpha, beta là các biến ngẫu nhiên phân 
bố chuẩn N(0,s). 
Các công suất tín hiệu này được chuẩn hóa 
và tính toán mặc định trong phần mềm Prowler. 
Hình 3. Năng lượng còn lại theo thời gian 
của hai nút A và B 
Chỉ số năng lượng còn lại và mức tiêu thụ 
năng lượng sẽ quyết định tuyến đường riêng cho 
giao thức. Trong giao thức định tuyến, năng 
lượng còn lại (energy reserve) của các nút sẽ xác 
định tuyến thông thường và tuyến tối ưu phụ cho 
các nút, cả hai sẽ được lựa chọn trong các đường 
dẫn tốt trong lớp định tuyến [1]. Hình 3 biểu diễn 
năng lượng còn lại theo thời gian của hai nút A 
và B được lựa chọn, trong đó nút A trong đường 
dẫn thông thường và nút B là nút trong đường 
dẫn tối ưu phụ. 
Quá trình định tuyến cũng sẽ loại bỏ ngay 
lập tức các nút đơn lẻ có tiêu hao năng lượng lớn 
[1]. Trên hình 4, nút D tiêu hao năng lượng 
nhanh sẽ bị loại bỏ. Mô hình định tuyến sẽ được 
cập nhật thông tin liên tục 10s một. 
Các đồ thị hiển thị trên hình 3 và hình 4 biểu 
diễn năng lượng còn lại theo thời gian của các 
nút cảm biến với mục đích lựa chọn đường dẫn 
tối ưu phụ (hình 3) và loại bỏ các nút có năng 
lượng suy giảm nhanh (hình 4) là giải pháp 
chung cho tất cả các giao thức định tuyến có nhận 
thức về năng lượng [1]. 
57 
Hình 4. Nút có tiêu hao năng lượng lớn 
bị loại bỏ 
Bằng cách xác định năng lượng nguồn cấp ở 
các thời điểm định tuyến trên các nút mạng thông 
qua chỉ số năng lượng còn lại và hàm giá thích 
nghi nguồn năng lượng, giải pháp định tuyến mới 
đã lựa chọn được sơ đồ định tuyến tối ưu dạng 
cây qua kết quả mô phỏng hình 1. 
4. Kết luận 
Giao thức định tuyến thích nghi năng lượng 
có nhận thức về năng lượng, trong đó có lựa chọn 
tuyến đường theo sườn dốc năng lượng nguồn 
cấp đảm bảo sự cân bằng năng lượng, đồng bộ 
giữa các loại nguồn khác nhau. Như vậy, với việc 
kết hợp nhận thức về năng lượng còn lại trên mỗi 
nút và độ dốc năng lượng của nguồn cấp, mạng 
cảm không dây sẽ lựa chọn được tuyến đường 
dẫn tối ưu về năng lượng, nâng cao được độ tin 
cậy và kéo dài được thời gian sống của mạng. 
Giao thức định tuyến thích nghi năng lượng có 
thể được ứng dụng cho các mạng diện rộng, trong 
đó có thể kết hợp nhiều loại nguồn cung cấp. 
Giao thức này được triển khai phát triển ứng 
dụng cho mạng cảm biến không dây trong hệ 
thống giám sát điều khiển môi trường chăn nuôi 
[5] cho đề tài mã số 01C-07/04-2013-2, trang trại 
của Hợp tác xã với nhiều hộ có điều kiện kinh tế 
khác nhau, sử dụng thiết bị mạng với một số loại 
nguồn có dung lượng và tuổi thọ khác nhau. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Anna Ha’c, Wireless Sensor Network 
Designs, University of Hawaii at Manoa, 
Honolulu, USA, John Wiley & Sons Ltd, 2003. 
[2]. A. V. Sutagundar*, S. S. Manvi**, 
Kirankumar. B. Balavalad*. Energy Efficient 
Multipath Routing Protocol for WMSN’s. 
International Journal of Computer and Electrical 
Engineering, Vol. 2, No. 3, June, 2010 1793-8163 
[3]. Dixit Sharma. Evaluating and improving 
collection tree protocol in mobible wireless 
sensor networck. University of Ontario Institute 
of Technology (UOIT)Oshawa, Ontario, 
Canada, July, 2011. 
[4]. Ming Liu, Jiannong Cao, Guihai Chen and 
Xiaomin Wang, An Energy-Aware Routing Protocol 
in Wireless Sensor, Sensors 2009, 9, 445-462. 
[5]. Đỗ Xuân Thiệu, Ngô Hoàng Huy, Nguyễn 
Trịnh Nguyên, Nguyễn Đức Hải, Nguyễn Tu 
Trung. Xây dựng mô hình trang trại chăn nuôi gia 
súc thông minh dựa trên kiến trúc hướng dịch vụ 
và mạng cảm biến không dây. Hội nghị KH&CN 
toàn quốc lần thứ VII, FAIR, nghiên cứu cơ bản 
và ứng dụng công nghệ thông tin. ISBN: 978-609-
913-300-8, trang 765-774, tháng 06/ 2014.
ABSTRACT 
Adaptive Energy Routing Solution in Wireless Sensor Network 
Do Xuan Thieu, University of Transport and Communications 
Wireless sensor networks have characteristics that can send and receive information in 
different terrain conditions. Power supply for sensor nodes in different conditions, can be performed 
by different types of sources, such as battery power, batteries, solar cells, power alternating current 
rectifiers,... The issue of network routing, connection information between nodes and hub for such 
networks need coordination between resources, ensuring reliability and extending the lifetime of the 
network is essential. This paper gives a routing solution, taking into account the characteristics of the 
energy supply network nodes. By calculating the cost function depends gap between the nodes, 
energy supply-slope and energy generation capacity at the root node, routing protocol selects the 
optimal path according to the lowest cost function for data transmission. Combining the determination 
of the energy reserve on each node and cost function, routing solution will ensure optimal routing 
according to energy awareness, and appropriate to the network with network nodes are provided with 
the different energy supply types of sources.