Đồ án tốt nghiệp đại học Chương II. Năng lượng trong mạng
Wireless Sensor
NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG WIRELESS SENSOR
2.1. Tính đặc thù của mạng
2.1.1. Hạn chế phần cứng
Tất cả các thành phần của nút Sensor phải đặt vừa vào trong một khối. Thông thường kích cỡ được yêu cầu
nhỏ hơn 1 centimet khối, đôi khi, phải đủ nhẹ để có thể treo trên không trung. Ngoài các yêu cầu về kích cỡ, khối
lượng, việc thiết kế các nút Sensor còn bị hạn chế bởi các yêu cầu nghiêm ngặt khác là :
+ Công suất tiêu thụ phải vô cùng thấp
+ Hoạt động trong mật độ thể tích cao
+ Giá thành sản xuất thấp và có thể bị bỏ qua mà không ảnh hưởng tới toàn mạng
+ Có thể tự động tổ chức, quản trị và hoạt động không cần can thiệp
+ Thích nghi được với môi trường.
Vì các nút Sensor thường không tiếp cận được nên thời gian tồn tại của một mạng Sensor phụ thuộc vào tuổi
thọ nguồn năng lượng của nút. Năng lượng cũng là tài nguyên hiếm do bộ nguồn có kích cỡ giới hạn. Ví dụ, tổng
năng lượng dự trữ trong một hạt Sensor thông minh là 1J. Trong mạng Sensor tích hợp vô tuyến (WINS), dòng
điện trung bình cung cấp phải nhỏ hơn 30 µA để đảm bảo thời gian sống dài. Các nút WINS được cung cầp năng
lượng từ pin lithium (Li) tiêu chuẩn hình đồng xu (đường kính 2.5 cm dày 1cm). Ngoài ra, có thể tăng thời gian
sống của mạng bằng cách tìm lấy năng lượng từ môi trường. Các ô pin mặt trời là một ví dụ.
Bộ thu phát của các nút Sensor có thể là các thiết bị quang thụ động hoặc tích cực hoặc các thiết bị vô tuyến
(RF). Truyền thông tần số vô tuyến yêu cầu điều chế, bộ lọc thông dải, giải điều chế và ghép kênh làm cho chúng
trở lên đắt và phức tạp. Ngoài ra, suy hao đường truyền tín hiệu giữa hai nút Sensor tỷ lệ theo luỹ thừa bậc bốn
của khoảng cách do các nút Sensor sử dụng antent đẳng hướng. Tuy nhiên, truyền thông vô tuyến được quan tâm
trong hầu hết các dự án nghiên cứu vì các gói tin truyền trong mạng Sensor có kích thước nhỏ , tốc độ số liệu
thấp (thường nhỏ hơn 1 Hz) và khả năng sử dụng lại tần số cao do khoảng cách truyền thông ngắn. Các đặc điểm
này tạo ra cho thấy hệ số sử dụng hệ thống vô tuyến là thấp. Tuy nhiên, việc thiết kế các mạch vô truyến có hiệu
quả về năng lượng và hệ số sử dụng thấp vẫn còn là một thách thức công nghệ. Các kỹ thuật vô tuyến thương
mại hiện nay vẫn không được như mong muốn vì chúng còn tiêu thụ nhiều năng lượng.
Mặc dù đã có các bộ xử lý công suất tính toán cao với kich thước nhỏ nhưng hiện tại chúng vẫn chưa được
phổ biến. Ví dụ, một vi hạt thông minh (smart dust mote) nguyên bản là một bộ vi điều khiển 4 MHz Atmel AVR
8535 với 8 Kb bộ nhớ tốc độ cao, 512 byte RAM và 512 byte EEPROM (ROM lập trình bằng điện). Hệ điều

Trong một mạng Sensor đa liên kết, các nút mạng thông tin với nhau qua môi trường không dây. Các liên kết
này có thể là sóng vô tuyến, hồng ngoại hay các tín hiệu quang. Việc chọn môi trường thông tin liên quan đén
yêu cầu nhiệm vụ của mạng và chúng phải đảm bảo các quy định quốc tế về thông tin trong không gian để có thể
hoạt động được ở mọi nơi.
Liên kết vô tuyến sử dụng các dải tần công nghiệp, khoa học và y học (Industrial, Scientific
and Medical-ISM). Các dải tần này được thông tin tự do trong hầu hết các nước. Bảng phân phối tần số quốc
tế nằm trong khoản S5 trong quy định tần số chỉ ra một số dải tần dành cho các ứng dụng ISM (Bảng 2.1).
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương II. Năng lượng trong mạng
Wireless Sensor
Bảng 2.1. Các dải tần dành cho các ứng dụng ISM
Một số các dải tần này đã được sử dụng cho các hệ thống điện thoại cầm tay và mạng nội bộ không dây
(Wireless LAN). Các mạng Sensor sử dụng bộ thu phát kích cỡ nhỏ, giá rẻ và công suất tiêu thụ cực thấp. Do các
hạn chế về phần cứng và sự cân bằng giữa hiệu quả antent và công suất tiêu thụ giới hạn nên phải lựa chọn sóng
mang thuộc dải tần rất cao (UHF). Các bộ thu phát sử dụng dải tần 433 MHz ISM ở châu Âu và 915 MHz ở Bắc
Mỹ. Thuận lợi chính của các dải tần ISM là sử dụng tự do, phổ rộng và thông dụng. Chúng không vượt khỏi các
tiêu chuẩn riêng, do đó có thể phù hợp với các kế hoạch tiết kiệm năng lượng. Mặt khác, còn có các hạn chế
khác như giới hạn công suất và nhiễu gây hại từ các ứng dụng đã triển khai do các dải tần ISM không được quản
lý.
Một kiểu truyền thông khác trong mạng Sensor là sử dụng hồng ngoại. Thông tin hồng ngoại được sử dụng tự
do và có khả năng chống nhiễu từ các thiết bị điện. Các bộ thu phát hồng ngoại có giá thành rẻ và dễ chế tạo.
Ngày nay, các máy tính xách tay, máy tính cầm tay và điện thoại di động đều có cổng giao tiếp hồng ngoại. Trở
ngại chính của việc sử dụng hồng ngoại là yêu cầu phải có một đường nhìn thẳng giữa nơi gửi và nơi nhận. Điều
nay làm cho hồng ngoại khó được sử dụng trong trường hợp mạng Sensor.
Một hướng phát triển đáng quan tâm là các vi hạt thông minh (smart dust mote), một hệ thống cảm biến, tính
toán và thông tin tự động, sử dụng môi trường truyền dẫn quang học. Có hai phương pháp truyền thông tin: thứ
nhất là truyền thông thụ động sử dụng một máy phản chiếu có dạng tam diện chữ nhật (Corner-cube-
retroreflector (CCR)); thứ hai là truyền thông tích cực sử dụng các diode lazer và các gương chuyển động. Hiện
nay các diode lazer tại nơi phát được gắn trên bảng mạch, có thể chuyển động lái chùm sáng vào chính xác nơi
nhận.
Các ứng dụng đặc biệt đòi hỏi môi trường truyền dẫn phức tạp hơn. Ví dụ, với các ứng dụng dưới biển thì

đó, làm tăng công suất tiêu thụ cho nhiệm vụ cảm biến.
2.2.2. Năng lượng cho truyền thông
Trong ba thành phần nêu trên trong một nút Sensor, phần truyền thông số liệu tiêu thụ năng lượng nhiều nhất,
bao gồm cả phát và thu số liệu. Đặc điểm truyền thông trong mạng Sensor là phạm vi ngắn và công suất bức xạ
thấp (~ 0 dbm), chi phí năng lượng cho việc phát và thu là gần như nhau. Trong mạch thu phát, các bộ trộn, các
bộ tổng hợp tần số, các bộ dao động điều khiển bằng điện áp, các vòng khoá pha (PLL) và các bộ khuếch đại
công suất tiêu thụ công suất đáng kể. Điều quan trọng là tính toán này không chỉ quan tâm đến công suất tích cực
mà còn xem xét đến tiêu thụ công suất khởi phát trong mạch thu phát. Thời gian khởi phát lên tới hàng trăm
micro giây làm công suất khởi phát trở lên đáng kể. Giá trị cao của thời gian khởi phát được cho là do thời gian
khoá của vòng khoá pha (PLL). Khi kích cỡ gói tin truyền giảm nhỏ thì công suất khởi phát sẽ chiểm ưu thế so
với công suất tích cực. Kết quả là việc chuyển trạng thái (thu, phát) giữa ON va OFF không hiệu quả vì sẽ tiêu
thụ một khối lượng điện năng lớn mỗi lần chuyển trạng thái về ON.
Công suất vô tuyến tiêu thụ được tính như sau:
P
c
= N
T
[ P
T
( T
on
+ T
st
) + P
out
( T
on
)] + N
R
[ P

c
khoảng –20 dbm.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương II. Năng lượng trong mạng
Wireless Sensor
2.2.3. Năng lượng cho xử lý
Năng lượng tiêu thụ cho xử lý số liệu nhỏ hơn nhiều so với năng lượng dành cho truyền thông số liệu. Do ảnh
hưởng của fading và do sự suy giảm đường truyền theo luỹ thừa bậc bốn nên công suất tiêu thụ của bộ thu phát
lớn khi khoảng cách truyền thông tăng. Trong khi đó, bộ xử lý thường không phức tạp và tốc độ không cao nên
tiêu thụ công suất nhỏ.
Một nút Sensor phải có khả năng tính toán và tương tác với môi trường xung quanh. Giới hạn về chi phí và
kích thước dẫn đến sự lựa chọn công nghệ bán dẫn oxit kim loại (CMOS) cho bộ vi xử lý. Tuy nhiên, công nghệ
này lại bị hạn chế về hiệu quả năng lượng.
Ngoài ra, trong nút Sensor còn có các mạch mã hoá và giải mã, các mạch tích hợp các ứng dụng đặc biệt. Khi
thiết kế các giao thức và thuật toán cho mạng, phải tính toán các ảnh hưởng đến công suất tiêu thụ của các thành
phần này.
2.3. Các giải pháp tiết kiệm năng lượng
2.3.1. Giải pháp định tuyến
Việc định tuyến trong mạng sensor cũng như trong các mạng khác được thực hiện tại lớp
mạng.
Các nút Sensor được phân bố dày đặc trong một trường ở gần hoặc ở ngay bên trong các hiện
tượng mục tiêu như trong hình 1.1. Giao thức định tuyến không dây đa bước phù hợp giữa nút
Sensor và nút Sink là cần thiết. Kỹ thuật định tuyến trong mạng ad-hoc thông thường không
phù hợp những yêu cầu của mạng Sensor. Lớp mạng của mạng Sensor được thiết kế theo những
nguyên tắc sau :
- Hiệu suất năng lượng luôn là yếu tố quan trọng
- Hầu hết các mạng Sensor là số liệu tập trung
- Việc tập hợp số liệu chỉ được thực thi khi nó không cản trở hoạt động hợp tác của các nút
Sensor .
- Một mạng Sensor lý tưởng phải nhận biết được việc đánh địa chỉ thuộc tính cơ sở và vị trí.
2.3.1.1. Các phương pháp định tuyến tối ưu về năng lượng

Sensor nguồn tới nút Sink là nhỏ nhất. Đường 3 trong ví dụ này là đường có hiệu suất cao nhất
theo tiêu chí này. Lưu ý rằng phương pháp ME sẽ chọn ra đường tương tự như phương pháp
MH khi năng lượng tiêu thụ cho việc truyền một gói tin ở tất cả các liên kết đều như nhau, tức
là tất cả ỏ ở mọi liên kết đều bằng nhau. Vì thế, khi các nút phát quảng bá với cùng mức năng
lượng mà không có bất kì sự điều khiển năng lượng nào, MH là tương đương với ME.
4) Đường có PA cực tiểu lớn nhất (Maximum minimum PA nút): là đường mà dọc theo nó, PA
cực tiểu lớn hơn các PA cực tiểu của các đường khác. Theo tiêu chí này, đường 3 là đường có
hiệu suất năng lượng cực đại và đường 1 là đường có hiệu suất lớn thứ hai. Phương pháp này
ngăn ngừa việc sử dụng các nút Sensor có PA thấp sớm trong khi có thể sử dụng các nút khác
có PA cao hơn. Như thế có thể tránh được hiện tượng một số nút bị cạn nguồn năng lượng sớm
làm ảnh hưởng đến hoạt động toàn mạng.
2.3.1.2. Phương pháp định tuyến số liệu tập trung
Một vấn đề quan trọng khác của lớp mạng là định tuyến có thể dựa trên việc tập trung số liệu.
Trong định tuyến số liệu tập trung, việc phổ biến các yêu cầu (các nội dung được quan tâm)
được thực hiện nhằm phân nhiệm vụ cảm biến tới các nút Sensor. Có hai phương pháp được sử
dụng để phổ biến yêu cầu là: nút Sink phổ biến nội dung được quan tâm tới các nút Sensor cần
thiết và các nút Sensor phát quảng bá một quảng cáo cho số liệu có sẵn và đợi một yêu cầu từ
các nút Sink có nhu cầu về các số liệu này.
Định tuyến số liệu tập trung yêu cầu phải đặt tên thuộc tính cơ sở. Nguyên nhân cần phải đặt
tên thuộc tính cơ sở là người sử dụng thường quan tâm tới truy vấn thuộc tính của hiện tượng
hơn là truy vấn tới một nút riêng lẻ. Ví dụ, “những khu vực nơi nhiệt độ vượt quá 70 độ F” là
một truy vấn được sử dụng thường xuyên hơn là “nhiệt độ được đọc bởi một nút nào đó”. Việc
đặt tên thuộc tính cơ sở được sử dụng để truy vấn về các thuộc tính của hiện tượng. Với việc
đặt tên thuộc tính cơ sở, các phương thức phát quảng bá, phát đến một nhóm theo thuộc tính cơ
sở (attribute-based multicasting), phát theo địa lý (geo-casting), phát bất kỳ ( any-casting ) trở
lên quan trọng đối với mạng Sensor .
Tập hợp số liệu là một kỹ thuật được sử dụng để giải quyết những vấn đề trùng lặp và chồng
chéo trong định tuyến số liệu tập trung. Trong kỹ thuật này, một mạng Sensor được mô tả với
cấu trúc cây phát đa điểm đảo ngược (reverse multicast tree) như trong hình 2.2.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương II. Năng lượng trong mạng