ĐỒ ÁN 3

TỐI ƯU HÓA VỊ TRÍ CÁC NODE
TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG
DÂY

Tối ưu hóa các node trong mạng cảm biến


MỤC L
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI...................................................................................1
1.1

TỔNG QUAN............................................................................................................1

1.2

YÊU CẦU ĐỀ TÀI....................................................................................................1

CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY...........................2
2.1

KHÁI NIỆM MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY....................................................2

2.2

CẤU TRÚC CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY...........................................2

2.3

ĐẶC ĐIỂM MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY.....................................................4

2.3.1

Kích thước vật vý nhỏ gọn..................................................................................4

2.3.2

Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao..........................................................4

2.3.3

Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế...................................4

2.3.4

Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng..............................................................5

2.3.5

Hoạt Động Tin Cậy.............................................................................................5

2.4

KIẾN TRÚC VÀ GIAO THỨC CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY.............6

2.5

ỨNG DỤNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY..........................................................7

2.5.1


Giám sát và điều khiển công nghiệp...................................................................7

2.5.2

Tự động hóa gia đình và điện dân dụng.............................................................8

2.5.3

Trong quân sự.....................................................................................................9

CHƯƠNG 3. KHẢO SÁT MÔ HÌNH MẠNG................................................................10
3.1

TỔNG QUAN VỀ NHIỆM VỤ TỐI ƯU HÓA CÁC NODE NĂNG LƯỢNG...........................10

3.2

SƠ BỘ VỀ NĂNG LƯỢNG TRUYỀN..............................................................................11

3.3

KHẢO SÁT MẠNG CÓ LƯU LƯỢNG ĐƠN.....................................................................11

3.4

KHẢO SÁT MẠNG VỚI CÁC NODE CÓ NHIỀU LUỒNG DI CHUYỂN..............................12

3.5


KHẢO SÁT VỚI CÁC NODE DI CHUYỂN TRONG PHẠM VI CỐ ĐỊNH.............................14

CHƯƠNG 4. THỰC HIỆN CODE TRÊN PHẦN MỀN MATLAB............................17
4.1

CODE CHO MÔ HÌNH MẠNG CÓ LƯU LƯỢNG ĐƠN.....................................................17

Tối ưu hóa các node trong mạng cảm biến


4.2

CODE CHO MÔ HÌNH MẠNG VỚI CÁC NODE DI CHUYỂN CÓ NHIỀU LUỒNG DI CHUYỂN
19

4.3

CODE MÔ HÌNH MẠNG VỚI CÁC NODE DI CHUYỂN TRONG PHẠM VI CỐ ĐỊNH..........22

CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN..................................................................................................25
5.1

KẾT LUẬN :............................................................................................................25

5.2

HƯỚNG PHÁT TRIỂN...........................................................................................25

TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................25
NGUỒN HÌNH ẢNH...........................................................................................................25

PHỤ LỤC A 26
Y

Tối ưu hóa các node trong mạng cảm biến


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
HÌNH 2-1: MÔ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY............................................3
HÌNH 2-2: KIẾN TRÚC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY........................................6
HÌNH 3-1: MÔ HÌNH MẠNG LƯU LƯỢNG ĐƠN........................................................2
HÌNH 3-2: MÔ HÌNH MẠNG CÁC NODE NHIỀU LUỒNG DI CHUYỂN.............11
HÌNH 3-3: MÔ HÌNH MẠNG CÁC NODE DI CHUYỂN TRONG PHẠM VI........13
HÌNH 4-1: KẾT QUẢ NĂNG LƯỢNG MẠNG LƯU LƯỢNG ĐƠN.........................18
HÌNH 4-2: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG MẠNG LƯU LƯỢNG ĐƠN..............................19
HÌNH 4-3: KẾT QUẢ NĂNG LƯỢNG MẠNG NHIỀU LUỒNG ..............................21
HÌNH 4-4: KẾT QẢU MÔ PHỎNG MẠNG NHIỀU LUỒNG....................................22
HÌNH 4-5: KẾT QUẢ NĂNG LƯỢNG MẠNG DI CHUYỂN TRONG PHẠM VI..24
HÌNH 4-6: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG MẠNG DI CHUYỂN TRONG PHẠM VI.......24

Tối ưu hóa các node trong mạng cảm biến


Trang 1/33

CHƯƠNG 1.

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1 TỔNG QUAN
Sự phát triển của internet truyền thông kết hợp vợi sự phát triển của công nghệ

đã tạo điều kiện cho các thiết bị cảm biến mới giá thành thấp, khả năng triển khai
quy mô lớn vớivđộ chính xác cao. Công nghệ điều khiển và cảm biến gồm cảm biến
dãy, cảm biến trường điệnt từ, cảm biến tần số vô tuyến, laser radar và cảm biến
định vị dẫn đường.
Các tiến bộ trong lĩnh vực thiết kế cảm biến, vật liệu cho phép giảm kích thước,
trọng lượng và chi phí sản xuất cảm biến đồng thời tăng khả năng hoạt động và độ
chính xác. Trong tương lai gần, mạng cảm biến không dây sẽ có thể tích hợp hang
triệu cảm biến vào hệ thống để cải thiện chất lượng và thời gian sống.
Công nghệ điều khiển và cảm biến có tiềm năng lớn, không chỉ trong khoa học
và nghiên cứu mà quan trọng hơn chúng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng
liên quan đến bảo vệ các công trình trọng yếu, chăm sóc sức khỏe bảo vệ môi
trường, oan toàn thực phẩm, nâng cao chất lượng cuộc sống … Với mục tiên giảm
giá thành và tăng hiệu quả trong công nghiêp thương mại, mạng cảm biến không
dây sẽ đem đến sự tiện nghi và các ứng dụng thiết thực nâng cao chất lượng cuộc
sống cho con người.

1.2 YÊU CẦU ĐỀ TÀI
- Tìm hiểu về mạng cảm biến không dây.
- Khảo sát mô hình mạng cảm biến không dây với nút nguồn và đích cố định, các
node trung gian có thể duy chuyển.
- Chọn vị trí tối ưu cho các node trung gian để tối ưu hóa năng lượng phục vụ
cho truyền thông tin.
- Viết chương trình matlab thực hiện giải thuật.

CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Tối ưu hóa các node trong mạng cảm biến



Trang 2/33

1.3 KHÁI NIỆM MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Mạng cảm biến không dây (wireless sensor network) là một kết cấu hạ tầng
bao gồm các thành phần cảm nhận, tính toán và truyền thông nhằm cung cấp cho
nhà quản trị khả năng đo đạc, quan sát và tác động lại với các sự kiện hiện tượng
trong môi trường xác định.
Một mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều nút mạng, các nút mạng thường
là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, có số lượng lớn và thường được
phân bố trên diện rộng, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế nên thời gian sống các
nút là ngắn, có thể vài tháng đến năm và hoạt động trong môi trường khắc nhiệt độc
hại.
Các nút cảm biến thường được phân bố rải rác trong các môi trường và kết nối
tới nút gốc.
Các nút cảm biến vừa có khả năng thu thập dữ liệu môi trường vừa có thể làm
bộ định tuyến dữ liệu.
1.4 CẤU TRÚC CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Một mạng cảm biến không dây bao gồm số lượng lớn các nút được triển khai
dầy đặc bên trong hoặc ở rất gần đối tượng cần thăm dò, thu thập thông tin dữ liệu.
Vị trí các cảm biến không cần định trước vì vậy nó cho phép triển khai ngẫu nhiên
trong các vùng không thể tiếp cận hoặc các khu vực nguy hiểm. Khả năng tự tổ
chức mạng và cộng tác làm việc của các cảm biến không dây là những đặc trưng rất
cơ bản của mạng này. Với số lượng lớn các cảm biến không dây được triển khai gần
nhau thì truyền thông đa liên kết được lựa chọn để công suất tiêu thụ là nhỏ nhất (so
với truyền thông đơn liên kết) và mang lại hiệu quả truyền tín hiệu tốt hơn so với
truyền khoảng cách xa.

Tối ưu hóa các node trong mạng cảm biến



Trang 3/33

Hình 2- 1: Mô hình mạng cảm biến không dây đơn giản [1]

Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây được thể hiện trên hình 1. Các
nút cảm biến được triển khai trong một trường cảm biến (sensor field). Mỗi nút cảm
biến được phát tán trong mạng có khả năng thu thập thông số liệu, định tuyến số
liệu về bộ thu nhận (Sink) để chuyển tới người dùng (User) và định tuyến các bản
tin mang theo yêu cầu từ nút Sink đến các nút cảm biến. Số liệu được định tuyến về
phía bộ thu nhận (Sink) theo cấu trúc đa liên kết không có cơ sở hạ tầng nền tảng
(Multihop Infrastructureless Architecture), tức là không có các trạm thu phát gốc
hay các trung tâm điều khiển. Bộ thu nhận có thể liên lạc trực tiếp với trạm điều
hành (Task Manager Node) của người dùng hoặc gián tiếp thông qua Internet.
Mỗi nút cảm biến bao gồm bốn thành phần cơ bản là: bộ cảm biến, bộ xử lý, bộ thu
phát không dây và nguồn điện. Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, nút cảm biến còn có thể
có các thành phần bổ sung như hệ thống tìm vị trí, bộ sinh năng lượng và thiết bị di
động. Các thành phần trong một nút cảm biến được thể hiện trên hình 2. Bộ cảm
biến thường gồm hai đơn vị thành phần là đầu đo cảm biến (Sensor) và bộ chuyển
đổi tương tự/số (ADC). Các tín hiệu tương tự được thu nhận từ đầu đo, sau đó được
chuyển sang tín hiệu số bằng bộ chuyển đổi ADC, rồi mới được đưa tới bộ xử lý.
Bộ xử lý, thường kết hợp với một bộ nhớ nhỏ, phân tích thông tin cảm biến và quản

Tối ưu hóa các node trong mạng cảm biến


Trang 4/33

lý các thủ tục cộng tác với các nút khác để phối hợp thực hiện nhiệm vụ. Bộ thu
phát đảm bảo thông tin giữa nút cảm biến và mạng bằng kết nối không dây, có thể là

vô tuyến, hồng ngoại hoặc bằng tín hiệu quang. Một thành phần quan trọng của nút
cảm biến là bộ nguồn. Bộ nguồn, có thể là pin hoặc ắcquy, cung cấp năng lượng cho
nút cảm biến và không thay thế được nên nguồn năng lượng của nút thường .
Hầu hết các công nghệ định tuyến trong mạng cảm biến và các nhiệm vụ cảm biến
yêu cầu phải có sự nhận biết về vị trí với độ chính xác cao. Do đó, các nút cảm biến
thường phải có hệ thống tìm vị trí. Các thiết bị di động đôi khi cũng cần thiết để di
chuyển các nút cảm biến theo yêu cầu để đảm bảo các nhiệm vụ được phân công.
1.5 ĐẶC ĐIỂM MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1.1 Kích thước vật vý nhỏ gọn
Kích thước và công suất tiêu thụ luôn chi phối khả năng xử lý, lưu trữ và
tương tác của các thiết bị cơ sở. Việc thiết kế các phần cứng cho mạng cảm biến
phải chú trọng đến giảm kích cỡ và công suất tiêu thụ với yêu cầu nhất định về khả
năng hoạt động. Việc sử dụng phần mềm phải tạo ra các hiệu quả để bù lại các hạn
chế của phần cứng
1.1.2
Hoạt động đồng thời
với độ tập trung cao
Hoạt động chính của các thiết bị trong mạng cảm biến là đo lường và vận
chuyển các dòng thông tin với khối lượng xử lý thấp, gồm các hoạt động nhận lệnh,
dừng, phân tích và đáp ứng. Vì dung lượng bộ nhớ trong nhỏ nên cần tính toán rất
kỹ về khối lượng công việc cần xử lý và các sự kiện mức thấp xen vào hoạt động xử
lý mức cao. Một số hoạt động xử lý mức cao sẽ khá lâu và khó đáp ứng tính năng
thời gian thực. Do đó, các nút mạng phải thực hiện nhiều công việc đồng thời và
cần phải có sự tập trung xử lý cao độ.
1.1.3 Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế
Tính năng điều khiển ở các nút cảm biến không dây cũng như sự tinh vi của
liên kết xử lý - lưu trữ - chuyển mạch trong mạng cảm biến không dây thấp hơn
nhiều trong các hệ thống thông thường. Điển hình, bộ cảm biến hay bộ chấp hành

Tối ưu hóa các node trong mạng cảm biến



Trang 5/33

(actuator) cung cấp một giao diện đơn giản trực tiếp tới một bộ vi điều khiển chip
đơn (đảm bảo tiêu thụ điện thấp nhất). Ngược lại, các hệ thống thông thường, với
các hoạt động xử lý phân tán, đồng thời kết hợp với một loạt các thiết bị trên nhiều
mức điều khiển được liên hệ bởi một cấu trúc bus phức tạp.
1.1.4 Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng
Các thiết bị cảm biến được nối mạng có khuynh hướng dành riêng cho ứng
dụng cụ thể, tức là mỗi loại phần cứng chỉ hỗ trợ riêng cho ứng dụng của nó. Vì có
một phạm vi ứng dụng cảm biến rất rộng nên cũng có thể có rất nhiều kiểu thiết bị
vật lý khác nhau. Với mỗi thiết bị riêng, điều quan trọng là phải dễ dàng tập hợp
phần mềm để có được ứng dụng từ phần cứng. Như vậy, các loại thiết bị này cần
một sự điều chỉnh phần mềm ở một mức độ nào đó để có được hiệu quả sử dụng
phần cứng cao. Môi trường phát triển chung là cần thiết để cho phép các ứng dụng
riêng có thể xây dựng trên một tập các thiết bị mà không cần giao diện phức tạp.
Ngoài ra, cũng có thể chuyển đổi giữa phạm vi phần cứng với phần mềm trong khả
năng công nghệ.
1.1.5 Hoạt động tin cậy
Các thiết bị có số lượng lớn, được triển khai trong phạm vi rộng với một ứng
dụng cụ thể. Việc áp dụng các kỹ thuật mã hóa sửa lỗi truyền thống nhằm tăng độ
tin cậy của các đơn vị riêng lẻ bị giới hạn bởi kích thước cảm biến và công suất.
Việc tăng độ tin cậy của các thiết bị lẻ là điều cốt yếu. Thêm vào đó, chúng ta có thể
tăng độ tin cậy của ứng dụng bằng khả năng chấp nhận và khắc phục được sự hỏng
hóc của thiết bị đơn lẻ.
1.6 KIẾN TRÚC VÀ GIAO THỨC CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Tối ưu hóa các node trong mạng cảm biến



Trang 6/33

Hình 2- 2: Kiến trúc mạng cảm biến không dây [2]

Kiến trúc giao thức được sử dụng trong bộ thu nhận (Sink) và tất cả các nút
cảm biến được thể hiện trên hình 3. Kiến trúc giao thức này phối hợp các tính toán
về định tuyến và năng lượng, kết hợp số liệu với các giao thức mạng, truyền tin với
hiệu quả về năng lượng thông qua môi trường không dây và tăng cường sự hợp tác
giữa các nút cảm biến. Kiến trúc giao thức bao gồm lớp ứng dụng (Application
Layer), lớp giao vận (Transport Layer), lớp mạng (Network Layer), lớp liên kết số
liệu (Datalink Layer), lớp vật lý (Physical Layer), mặt bằng quản lý năng lượng
(Power Management Plane), mặt bằng quản lý di động (Mobility Management
Plane) và mặt bằng quản lý nhiệm vụ (Task Management Plane).
Tuỳ theo nhiệm vụ của cảm biến, các kiểu phần mềm ứng dụng có thể được xây
dựng và sử dụng trên lớp ứng dụng. Lớp giao vận giúp duy trì dòng số liệu khi các
ứng dụng của mạng cảm biến yêu cầu. Lớp mạng tập trung vào việc định tuyến số
liệu được cung cấp bởi lớp giao vận. Do môi trường có nhiễu và các nút cảm biến
có thể di động được, giao thức MAC phải được tính toán về năng lượng và tối thiểu
hóa va chạm trong việc phát quảng bá với các nút lân cận. Lớp vật lý sử dụng các
kỹ thuật điều chế, truyền và nhận cần thiết đơn giản nhưng mạnh mẽ. Thêm vào đó,
các mặt bằng quản lý năng lượng, di động và nhiệm vụ điều khiển sự phân phối
năng lượng, phối hợp di chuyển và nhiệm vụ giữa các nút cảm biến. Các mặt bằng
này giúp cho các nút cảm biến có thể phối hợp trong nhiệm vụ cảm biến.
Tối ưu hóa các node trong mạng cảm biến


Trang 7/33

Mặt bằng quản lý năng lượng quản lý việc một nút cảm biến sử dụng năng lượng

của nó như thế nào. Ví dụ, nút cảm biến có thể tắt bộ phận nhận sau khi nhận một
bản tin từ một trong các nút lân cận. Điều này có thể tránh được việc nhận bản tin
tới hai lần. Ngoài ra, khi mức năng lượng của nút cảm biến thấp, nút cảm biến sẽ
thông báo tới tất cả các nút lân cận rằng mức năng lượng thấp của nó đã thấp nên nó
không thể tham gia vào việc định tuyến cho các bản tin. Năng lượng còn lại được
dự trữ cho việc cảm biến. Mặt bằng quản lý di động dò tìm và ghi lại chuyển động
của nút cảm biến, vì thế một tuyến đường hướng tới nút user luôn được duy trì và
các nút cảm biến có thể theo dõi được các nút cảm biến lân cận. Với việc nhận biết
được các nút cảm biến lân cận, nút cảm biến có thể cân bằng giữa nhiệm vụ và năng
lượng sử dụng. Mặt bằng quản lý nhiệm vụ cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến
cho một vùng cụ thể. Không phải tất cả các cảm biến trong vùng đó được yêu cầu
thực nhiệm vụ cảm nhận tại cùng một thời điểm. Kết quả là một vài nút cảm biến
thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức năng lượng của chúng.
Những mặt quản lý này rất cần thiết, như vậy, các nút cảm biến có thể làm việc
cùng với nhau để có hiệu quả về mặt năng lượng, có thể định tuyến số liệu trong
một mạng cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến.
1.7 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
1.1.6 Giám sát và điều khiển công nghiệp
Đặc thù của giám sát và điều khiển công nghiệp là môi trường nhiễu lớn,
không đòi hỏi lượng lớn dữ liệu thông tin được truyền tải nhưng yêu cầu rất cao về
độ tin cậy và đáp ứng thời gian thực. Mạng cảm biến không dây được ứng dụng
trong linh vực này chủ yêu phục vụ việc thu thập thông tin, giám sát trạng thái hoạt
động của hệ thống, như trạng thái các van, trạng thái thiết bị, nhiệt độ và áp suất của
nguyên liệu được lưu trữ, … Ngoài ra, trong một số ứng dụng điều khiển trên diện
rộng thì mạng cảm biến không dây cũng thể hiện nhiều tính năng vượt trội. Đó là hệ
thống điều khiển không dây ánh sáng quảng cáo. Rất nhiều chi phí trong quá trình
cài đặt các bóng đèn trong một toà nhà lớn (các chuyển mạch có dây, các bóng đèn
được bật/tắt cùng nhau, điều khiển bóng đèn, …). Một hệ thống không dây có tính

Tối ưu hóa các node trong mạng cảm biến



Trang 8/33

mềm dẻo có thể tận dụng một bộ điều khiển từ xa có thể được lập trình để điều
khiển một số lượng các bóng đèn trong một theo nhiều cách khác nhau gần như vô
hạn, trong khi vẫn cung cấp mức độ an ninh được yêu cầu bởi một bộ phận lắp đặt
quảng cáo. Hay việc sử dụng các mạng cảm biến không dây trong các ứng dụng an
toàn công nghiệp. Các mạng cảm biến không dây có thể tận dụng các cảm biến để
phát hiện sự hiện diện của các chất độc hại hoặc các vật liệu nguy hiểm, cung cấp
quá trình phát hiện và nhận dạng sớm các khe hở hoặc phát hiện tràn các tác nhân
hoá học hoặc sinh học trước khi thiệt hại nghiêm trọng có xảy ra (và trước khi các
chất vượt ra ngoài vùng kiểm soát). Bởi vì mạng không dây có thể sử dụng các
thuật toán định tuyến phân tán, có nhiều đường định tuyến, và có thể tự chữa trị và
tự duy trì, chúng có thể co giãn trong mặt ngoài của quá trình bùng nổ hoặc các thiệt
hại khác đến máy công nghiệp, cung cấp các thẩm quyền với thông tin trạng thái
máy quyết định dưới các điều kiện rất khó. Trong một ứng dụng khác, đó là quá
trình giám sát và điều khiển cơ cấu quay hoặc chuyển động trong không gian là một
lĩnh vực khá phù hợp với các mạng cảm biến không dây (máy bay, vật thể bay …).
Với ứng dụng khác trong lĩnh vực này của các mạng cảm biến không dây là hệ
thống nồi hơi, thông hơi và điều hòa không khí (HVAC) của các toà nhà.
1.1.7 Tự động hóa gia đình và điện dân dụng
Gia đình là không gian ứng dụng rất lớn cho các mạng cảm biến không dây.
SmartHome là thuật ngữ để chỉ một ngôi nhà thông minh với sự ứng dụng toàn diện
của các thiết bị cảm biến không dây. Một ứng dụng được điều khiển chung từ xa,
một PDA có thể điều khiển TV, máy nghe DVD, dàn âm thanh nổi và các thiết bị
điện tử gia đình khác hay các bóng đèn, các cánh cửa, và các ổ khoá cũng được
trang bị với kết nối mạng cảm biến không dây. Với điều khiển chung từ xa, một bộ
có thể điều khiển ngôi nhà từ tiện ích trên ghế. Tuy nhiên, khả năng hấp dẫn nhất
đến từ sự kết hợp nhiều dịch vụ, giống như các cánh cửa tự động đóng khi TV được

bật, hoặc có thể tự động ngưng hệ thống giải trí gia đình khi một cuộc được nhận
trên máy điện thoại hoặc chuông cửa kêu. Mục đích lớn của các mạng cảm biến
không dây trong gia đình được mong chờ là mức tiêu thụ điện thấp là điều kiện thiết

Tối ưu hóa các node trong mạng cảm biến


Trang 9/33

yếu của các mạng cảm biến không dây. Ứng dụng khác trong gia đình là việc hỗ trợ
các dịch vụ gia đình trên ôtô. Với các mạng cảm biến không dây, ổ khoá không dây,
các cảm biến cửa ra vào và cửa sổ, và các bộ điều khiển bóng đèn không dây, chủ
nhà có một thiết bị tương tự như một key-fob với một nút bấm. Khi bấm nút, thiết bị
khoá tất cả các cửa ra vào và cửa sổ trong nhà, tắt hầu hết các bóng đèn trong nhà
(trừ một vài bóng đèn ngủ), bật các bóng đèn an toàn ngoài nhà, và thiết lập hệ
thống HVAC đến chế độ ngủ
1.1.8 Trong quân sự
Các mạng cảm biến không dây là một phần không thể thiếu trong các ứng
dụng quân sự ngày nay với các hệ thống mệnh lệnh, điều khiển, thu thập tin tức tình
báo truyền thông, tính toán, theo dõi kẻ tình nghi, trinh sát và tìm mục tiêu. Các đặc
tính triển khai nhanh chóng, tự tổ chức và khả năng chịu đựng lỗi của các mạng cảm
biến cho thấy đây là một công nghệ đầy triển vọng trong lĩnh vực quân sự. Vì các
mạng cảm biến dựa trên cơ sở triển khai dày đặc với các nút giá rẻ và chỉ dùng một
lần, việc bị địch phá huỷ một số nút không ảnh hưởng tới hoạt động chung như các
cảm biến truyền thống nên chúng tiếp cận chiến trường tốt hơn. Một số ứng dụng
của mạng cảm biến là: kiểm tra lực lượng, trang bị, đạn dược, giám sát chiến
trường, trinh sát vùng và lực lượng địch, tìm mục tiêu, đánh giá thiệt hại trận đánh.

Tối ưu hóa các node trong mạng cảm biến



Trang 10/33

CHƯƠNG 2.

KHẢO SÁT MÔ HÌNH MẠNG

1.8 Tổng quan về nhiệm vụ tối ưu hóa các node năng lượng
Gần đây các mạng cảm biến không dây đã nổi lên như là một chủ đề nghiên
cứu thú vị vì khả năng nhận ra các nhiệm vụ quan trọng như phát hiện quân đội
hoặc hoang dã, đặc biệt khi khả năng di động trở nên dễ dàng hơn đối với các nút
không dây. Mạng cảm biến không dây di động điển hình bao gồm nhiều nút di
động, chẳng hạn như các robot di động được trang bị một số bộ nhớ và khả năng xử
lý hạn chế, khả năng truyền thông và di động, được phân phối trên một số vùng
cộng tác tạo thành một mạng ad-hoc [1]. Di từ các mạng không dây tĩnh, tính di
động làm cho toàn bộ mạng không dây di động có khả năng tự kết nối. Nếu một số
nút trong mạng không thể hoạt động vì một số nguyên nhân, các nút còn lại có thể
tổ chức lại mạng thông qua di chuyển, sửa chữa cấu trúc mạng tự động và hoàn
thành việc tự triển khai. Ngoài ra, tính di động có thể nâng cao tính linh hoạt của
các mạng và làm cho toàn bộ mạng có khả năng triển khai node tốt hơn và điều
khiển tô pô để hoàn thành các nhiệm vụ cụ thể.
Do đó, tính di động là cái gì đó cần được kiểm soát một cách thích nghi để giúp các
yêu cầu tiếp cận mạng được đặt ra bởi các nhiệm vụ cụ thể và nguồn lực hạn chế.
Tuy nhiên, rất nhiều công việc hiện tại xem xét tính di động chỉ coi nó như một yếu
tố bên ngoài không kiểm soát được mà mạng truyền thông phải xử lý.
Kết quả, các nghiên cứu sau đây là để thêm một chiều nữa, nghĩa là tính di động,
vào mô hình mạng được thiết kế có mục đích để cải thiện hiệu suất mạng. Chúng tôi
xác định vấn đề nghiên cứu bằng cách sử dụng tính di động để tạo các đường dẫn
định tuyến giữa các nguồn và các node bằng cách di chuyển các nút đến những vị trí
sao cho năng lượng truyền tải cần thiết cho luồng dữ liệu được giảm thiểu để tối đa

hóa tuổi thọ của mạng. Các vấn đề được đưa ra trong các vấn đề tối ưu hóa và sử
dụng phương pháp tối ưu để phát triển thuật toán lặp để giải quyết.

1.9 Sơ bộ về năng lượng truyền

Tối ưu hóa các node trong mạng cảm biến


Trang 11/33

Lý do tại sao độ linh động có thể giảm công suất truyền dẫn bằng cách giảm
khoảng cách truyền giữa các nút nằm trong mô hình năng lượng truyền dẫn. Nguồn
cần thiết cho việc truyền dữ liệu không dây thành công được xác định bởi khoảng
cách giữa các nút truyền thông và mức độ ồn của kênh truyền thông. Cho PT (d) là
công suất cần thiết cho việc truyền dữ liệu qua khoảng cách d,
PT(d) = a + bdα
Trong đó a, b và α là hằng số phụ thuộc vào đặc tính của kênh truyền thông. Giá trị
của α lớn hơn hoặc bằng 2. Mức tiêu thụ năng lượng cho việc truyền các bit dữ liệu
L qua khoảng cách d là
ET(d,L) = L.PT(d)
Đối với các nghiên cứu sau, giả định rằng một tuyến đường từ nguồn cố định đến
bồn rửa cố định bao gồm các nút di động đã được phát hiện và không thay đổi khi
áp dụng kiểm soát chuyển động. Và, mỗi nút có nhận thức về vị trí riêng của nó và
có thể nhận được thông tin vị trí của các nút lân cận của nó
1.10

Khảo sát mạng có lưu lượng đơn

Hình 3- 1: Mô hình mạng lưu lượng đơn [3]


Gán các nút mạng như 0,1, ..., n + 1, trong đó các nút 1, ..., n là các nút trung
gian, và nút 0 và nút n + 1 là nút nguồn.
Giả sử rằng các kênh truyền thông giữa các nút là giống nhau, tức là PT (d) là
như nhau cho mọi nút, sau đó vấn đề cấu hình tối ưu có thể được xây dựng như

Tối ưu hóa các node trong mạng cảm biến


Trang 12/33

Với i = 0, ..., n; k = 1,2,3. X (k) i là chiều thứ k của vector vị trí x (k) i. Từ những hệ
phương trình này, chúng ta có các giải pháp
xi =(x∗ i+1 + x∗ i−1)/2 ,i = 1,...,n.
Vị trí tối ưu của mỗi nút có thể được trực tiếp bắt nguồn
x∗ i = x0 +i/( n + 1)(x(n+1) −x0),i = 1,...,n.

1.11

Khảo sát mạng với các node có nhiều luồng di chuyển
Phần trước đã thảo luận các vị trí tối ưu cho các nút trong một luồng duy nhất,

tuy nhiên, trong mạng một nút, chẳng hạn như nút giao điểm, có thể được bao gồm
trong nhiều luồng.

Hình 3- 2: Mô hình mạng các node có nhiều luồng di chuyển [4]

Cho tij là số lưu lượng data liên kết giữa các nút i và j, L là tập hợp của tất cả
các cặp nút tạo thành một liên kết trong mạng, N (i) là tập các chỉ số của các nút lân
Tối ưu hóa các node trong mạng cảm biến



Trang 13/33

cận của Nút i-thứ. Sau đó, vấn đề cấu tạo tối ưu không bị tắc nghẽn với nhiều luồng
trở nên,

Đạo hàm ∇f =[..., ∂f/∂x(k) ]^T

Rút gọn hàm

Cập nhật tọa độ của các nút chuyển tiếp bằng công thức:
Xi = xi + ∆xi
Với ∆xi :

1.12

Khảo sát với các node di chuyển trong phạm vi cố định
Mô hình tối ưu hóa với rang buộc vmoiwss bán kinhs di chuyển của các node

trung gian

Tối ưu hóa các node trong mạng cảm biến


Trang 14/33

Hình 3- 3: Mô hình mạng các node di chuyển trong phạm vi [5]

Để đơn giản, chúng ta quay trở lại trường hợp duy nhất và thêm các ràng buộc,
sau đó vấn đề có thể được xây dựng như sau


Trong đó xi0 là trung tâm vòng tròn của vùng phủ sóng cho nút i-th, và R i là
bán kính của nó. Ở đây, chúng tôi giả sử các khu vực phủ sóng là tất cả các vòng kết
nối. Liên kết các nhân đấu Lagrange λ với các ràng buộc. Lagrangian là

Tối ưu hóa các node trong mạng cảm biến


Trang 15/33

Kể từ khi điều kiện Slater giữ, phải có hệ số Lagrange λ * sao cho X *
minimmize L (X *, λ *)

Với alpha = 2 ta có

Phương trình cập nhật cho λ là

Tối ưu hóa các node trong mạng cảm biến


Trang 16/33

CHƯƠNG 3.

Thực hiện code trên phần mền matlab

1.1 Code cho mô hình mạng có lưu lượng đơn
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%%
% Do an mon hoc

%
% Optimization of Mobility Control in Mobile Wireless Networks for Energy
%
% Saving
% dang_1
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%%
clear;
% Khai bao so node
n = 6;
a = 10^(-4);
b = 10^(-7);
alpha = 2;
L = 10^(-3);
E_q = 1.7223e-8;
% Tao toa do cho 11 node theo thu tu tang dan theo x
x = rand(1,n)*200;
x = sort(x);
y = rand(1,n)*200;
% Tinh nang luong truyen tai voi cau hinh ban dau
E(n-1) = 0;
d(n-1) = 0;
for j = 1:(n-1)
d(j) = sqrt((x(j+1)-x(j))^2 + (y(j+1)-y(j))^2);
E(j) = (a+b*d(j)^(alpha))*L;
end
E_total = sum(E)
% Ve x, y len do thi 150*150
%for k = 1: n
%

text(x(k),y(k),num2str(k));
%end
plot(x,y,'gs','Markersize',15);
%text(x,y,'x');
hold on;
plot(x,y,'--g')
hold on;
% Tinh toa do toi uu
% Giu toa do source va destination
x_opt(n) = x(n);
x_opt(1) = x(1);
y_opt(n) = y(n);
y_opt(1) = y(1);
% Tinh toa do node toi uu
for i = 2:(n-1)
x_opt1(i) = x(1)+(i/n)*(x(n)-x(1));
y_opt1(i) = y(1)+(i/n)*(y(n)-y(1));
end

Tối ưu hóa các node trong mạng cảm biến


Trang 17/33

for q = 2:(n-1)
d(q) = sqrt((x(q)-x_opt1(q))^2 + (y(q)-y_opt1(q))^2);
E_1(q) = E_q*d(q);
end
for w= 2:(n-1)
x_opt(w) = x_opt1(w)+E_1(w);

y_opt(w) = y_opt1(w)+E_1(w);
end
% Tinh nang luong truyen tai voi cau hinh toi uu
E_opt(n-1) = 0;
d_opt(n-1) = 0;
for j = 1:(n-1)
d_opt(j) = sqrt((x_opt(j+1)-x_opt(j))^2 + (y_opt(j+1)-y_opt(j))^2);
E_opt(j) = (a+b*d_opt(j)^(alpha))*L;
end
%E_opt_total = sum(E_opt)
E_q_total = sum(E_1)
E_opt_total = sum(E_opt) + E_q_total;
% Ve x_opt, y_opt len cung do thi 150*150
%text(x_opt,y_opt,'y');
plot(x_opt,y_opt,'ro','Markersize',15);
plot(x_opt,y_opt,'--r');
hold on;
for m = 1: n
text(x_opt(m),y_opt(m),num2str(m));
end
for k = 1: n
text(x(k),y(k),num2str(k));
END
Năng lượng tối ưu:

Hình 4- 1: Kết quả năng lượng mạng lưu lượng đơn

Tối ưu hóa các node trong mạng cảm biến



Trang 18/33

Hình 4- 2: Kết quả mô phỏng mô hình mạng lưu lượng đơn

1.2 Code cho mô hình mạng với các node di chuyển có nhiều luồng di
chuyển
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%%
% Do an mon hoc
%
% Optimization of Mobility Control in Mobile Wireless Networks for Energy
%
% Saving
% %DANG_3
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%%
clear;
%khai báo t?a ?? node c? ??nh
tij=1;
alpha = 3;
x1=20; y1=20;
plot(x1,y1,'rs','Markersize',15);

Tối ưu hóa các node trong mạng cảm biến


Trang 19/33

text(x1,y1,'1');
hold on;

x2=10; y2=80;
plot(x2,y2,'rs','Markersize',15);
text(x2,y2,'2');
hold on;
x3=40; y3=70;
plot(x3,y3,'gs','Markersize',15);
text(x3,y3,'3');
hold on;
x4=50; y4=30;
plot(x4,y4,'gs','Markersize',15);
text(x4,y4,'4');
hold on;
x5=100; y5=90;
plot(x5,y5,'rs','Markersize',15);
text(x5,y5,'5');
hold on;
x6=110; y6=10;
plot(x6,y6,'rs','Markersize',15);
text(x6,y6,'6');
hold on;
%plot ([20 20 40 70],'--r');
%ve dang toi uu
d1 = (sqrt((x3-x1)^2 + (y3-y1)^2))^(alpha-2);
d2 = (sqrt((x3-x2)^2 + (y3-y2)^2))^(alpha-2);
d3 = (sqrt((x4-x3)^2 + (y4-y3)^2))^(alpha-2);
d4 = (sqrt((x5-x4)^2 + (y5-y4)^2))^(alpha-2);
d5 = (sqrt((x6-x4)^2 + (y6-y4)^2))^(alpha-2);
dentax3 = (-1/(alpha-1))*x3 + (1/(alpha -1))*(((tij*d3)*x4 + tij*d1*x1
tij*d2*x2)/(tij*d3 + tij*d1 + tij*d2));
dentax4 = (-1/(alpha-1))*x4 + (1/(alpha -1))*(((tij*d3)*x3 + tij*d4*x5

tij*d5*x6)/(tij*d4 + tij*d5 + tij*d3));
dentay3 = (-1/(alpha-1))*y3 + (1/(alpha -1))*(((tij*d3)*y4 + tij*d1*y1
tij*d2+y2)/(tij*d3 + tij*d1 +tij*d2));
dentay4 = (-1/(alpha-1))*y4 + (1/(alpha -1))*(((tij*d3)*y3 + tij*d4*y5
tij*d5*y6)/(tij*d4 + tij*d5 + tij*d3));
x3_opt = x3 + dentax3;
y3_opt = y3 + dentay3;
plot(x3_opt,y3_opt,'bs','Markersize',15);
text(x3_opt,y3_opt,'3');
hold on;
x4_opt = x4 + dentax4;
y4_opt = y4 + dentay4;
plot(x4_opt,y4_opt,'bs','Markersize',15);
text(x4_opt,y4_opt,'4');
hold on;
a = 10^(-4);
b = 10^(-7);
L = 10^(-3);
E1 = (a+b*d1^(alpha))*L;
E2 = (a+b*d2^(alpha))*L;
E3 = (a+b*d3^(alpha))*L;
E4 = (a+b*d4^(alpha))*L;
E5 = (a+b*d5^(alpha))*L;
E_total = E1 + E2 +E3 +E3 +E5
d1_opt = (sqrt((x3_opt - x1)^2 + (y3_opt - y1)^2))^(alpha-2);

Tối ưu hóa các node trong mạng cảm biến

+
+

+
+


Trang 20/33

d2_opt = (sqrt((x3_opt - x2)^2 + (y3_opt - y2)^2))^(alpha-2);
d3_opt = (sqrt((x4_opt-x3_opt)^2 + (y4_opt-y3_opt)^2))^(alpha-2);
d4_opt = (sqrt((x5-x4_opt)^2 + (y5-y4_opt)^2))^(alpha-2);
d5_opt = (sqrt((x6-x4_opt)^2 + (y6-y4_opt)^2))^(alpha-2);
E1_opt = (a+b*d1_opt^(alpha))*L;
E2_opt = (a+b*d2_opt^(alpha))*L;
E3_opt = (a+b*d3_opt^(alpha))*L;
E4_opt = (a+b*d4_opt^(alpha))*L;
E5_opt = (a+b*d5_opt^(alpha))*L;
E_opt_total = E1_opt + E2_opt + E3_opt +E4_opt +E5_opt
X = [x1 x3_opt x4_opt x6];Y = [y1 y3_opt y4_opt y6];
X11 = [x2 x3_opt];Y11 = [y2 y3_opt];
X12 = [x4_opt x5];Y12 = [y4_opt y5];
X2 = [x2 x3 x4 x5];Y2 = [y2 y3 y4 y5];
X31 = [x1 x3];Y31 = [y1 y3];
X32 = [x4 x6];Y32 = [y4 y6];
hold on;
plot(X,Y,'--r');plot(X11,Y11,'--r');plot(X12,Y12,'--r');
plot(X2,Y2,'--g');plot(X31,Y31,'--g');plot(X32,Y32,'--g');
Năng lượng tối ưu

Hình 4- 3: Kết quả năng lượng mạng nhiều luồng

Tối ưu hóa các node trong mạng cảm biến



Trang 21/33

Hình 4- 4: Kết quả mô hình mạng nhiều luồng

1.3 Code mô hình mạng với các node di chuyển trong phạm vi cố định
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%%
% Do an mon hoc
%
% Optimization of Mobility Control in Mobile Wireless Networks for Energy
%
% Saving
% %DANG_3
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%%
clear;
% Khai bao so node
n = 4;
a = 10^(-4);
b = 10^(-7);
alpha = 2;
L = 10^(-3);
R = 10;
N = 100;
% Tao toa do cho 11 node theo thu tu tang dan theo x

Tối ưu hóa các node trong mạng cảm biến