Chương 6 kỹ thuật phân cụm trong mạch cảm biến không dây

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ II BÁO CÁO MÔN HỌC MẠCH CẢM BIẾN ĐỀ TÀI CHƯƠNG 6 “ KỸ THUẬT PHÂN CỤM TRONG MẠCH CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ” Giả[.]

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH

VIỄN THÔNG

CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ II

BÁO CÁO MÔN HỌC

MỤC LỤC

CHƯƠNG 6 2

KỸ THUẬT PHÂN CỤM TRONG MẠCH CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2

6.1 INTRODUCTION 2

6.2 KHÁM PHÁ CHỦ ĐỀ VÀ CÁC BỘ CHỈNH TRONG MẠNG CẢM BIẾN 4

6.2.3 Các ứng dụng của khám phá cấu trúc liên kết 18

6.3 ĐIỀU CHỈNH ADAPTIVE VỚI LỰA CHỌN ĐẦU CỤM XÁC ĐỊNH.23 6.4 HIỆU SUẤT CỦA BỘ ĐIỀU CHỈNH CẢM BIẾN 26

6.4.1 Xử lý cảm biến phân tán 30

6.5 CÁC CHỨC NĂNG ĐÁNH THỨC NGUỒN ĐIỆN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 35

6.5.1 Phần mềm Power Aware 40

6.6 HIỆU QUẢ FLOODING BẰNG ĐIỀU CHỈNH THỤ ĐỘNG 42

6.6.1 Phân cụm thụ động 48

6.7 TÓM LƯỢC 53

CÁC VẤN ĐỀ 54

CHƯƠNG 6

KỸ THUẬT PHÂN CỤM TRONG MẠCH CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

6.1 INTRODUCTION

Những tiến bộ trong công nghệ MEMS đã tạo ra các thiết bị giá rẻ và di động với khả năng cảm biến, tính toán và giao tiếp không dây đáng kể Một mạng lưới các thiết bị này là vô giá cho việc thu thập thông tin tự động và phân tán microsensing trong nhiều trong nhiều ứng dụng của dân

sự, quân sự và công nghiệp Các ứng dụng của phương tiện không dây trong truyền thông cung cấp một phương tiện linh hoạt dễ thích ứng để triển khai các nút mà không cần có cơ sở hạ tầng cố định, có thể sử dụng trong môt trường khắc nghiệt Sau khi được triển khai, các nút yêu cầu hỗ trợ tối thiểu từ bên ngoài để chúng hoạt động.

Thuật toán khám phá cấu trúc liên kết cho mạng cảm biến không dây tạo

ra một tập hợp các nút phân biệt để xây dựng nên cấu trúc liên kết gần đúng của mạng Các nút phân biệt trả lời các đầu dò phát hiện các cấu trúc liên kết, qua đó giảm thiểu các thông tin liên lạc trên cao Các thuật toán tạo thành một cây của clus-ter, bắt rễ nút theo dõi, bắt đầu quá trình khám phá cấu trúc liên kết Đơn vị này được sử dụng có hiệu quả với các dữ liệu phổ biến và các tập hợp, nhiệm vụ, chu kì nhiệm vụ và mạng lưới hồi phục trạng thái Các cơ chế được phân phối, chỉ sử dụng thông tin địa phương và có khả năng mở rộng cao

Tầm nhìn của máy tính chủ yếu dựa trên ý tưởng rằng các máy tính trong tương lai sẽ hợp nhất với môi trường của chúng đến khi chúng trở nên hoàn toàn vô hình với người dùng Mạng cảm biến vi cảm biến không dây phân tán là một thành phần quan trọng của máy tính phổ biến này và kích thước nhỏ là một mục tiêu thiết kế cho cảm biến vi mô Việc cung cấp năng lượng cho các cảm biến là một hạn chế chính trong quá trình thu nhỏ Nó chỉ có

thể giảm xuống một mức năng lượng nhất định vì mật độ của nguồn năng lượng tăng chậm Ngoài việc cải thiện mức độ năng lượng, có thể giảm mức tiêu thụ năng lượng Cách tiết kiệm này là sử dụng phần cứng tiết kiệm năng lượng Hơn nữa, việc tăng tuổi thọ cho mạng cảm biến có thể thực hiện bằng cách thông qua các ứng dụng, hệ điều hành và các giao thức truyền thông được tối ưu hóa Các mô đun phần cứng của cảm biến sẽ bị tắt khi không cần thiết.

Hệ thống cảm biến vi cảm biến phân tán không dây cho phép giám sát chịu lỗi và kiểm soát nhiều ứng dụng khác nhau Do số lượng lớn các nút cảm biến vi mô có thể được triển khai và thời gian sử dụng hệ thống lâu dài nên việc thay thế pin không phải là một lựa chọn Hệ thống cảm biến phải

sử dụng ít năng lượng nhất có thể trong khi hoạt động trong nhiều tình huống Chúng bao gồm công nghệ tính toán nhận biết điện năng và công nghệ thành phần truyền thông, mạng và tín hiệu năng lượng thấp, phân vùng hệ thống xem xét đánh đổi tính toán và giao tiếp, và cơ sở hạ tầng phần mềm nhận biết điện năng.

Nhiều giao thức mạng chuyên dụng (ví dụ: định tuyến, khám phá dịch

vụ, v.v.) sử dụng mã hóa làm cơ chế cơ bản để truyền thông điệp điều khiển Trong quá trình mã hóa, một nút truyền một thông điệp đến tất cả các nút lân cận của nó, đến lượt nó, truyền tới các nút lân cận của chúng cho đến khi thông điệp được truyền tới toàn bộ mạng Thông thường, chỉ một tập hợp con của những người lân cận được yêu cầu để chuyển tiếp thông điệp để đảm bảo mã hóa hoàn chỉnh của toàn bộ mạng Nếu mật độ địa lý nút (tức là số lượng các nút lân cận

là cao hơn nhiều so với những gì được yêu cầu nghiêm ngặt để duy trì kết nối Chế độ mã hóa siêu ưu việt này làm tăng tắc nghẽn liên kết trên không và phương tiện không dây Trong một mạng lớn, có tải nặng, chi phí tăng thêm này có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất.

6.2 KHÁM PHÁ CHỦ ĐỀ VÀ CÁC BỘ CHỈNH TRONG MẠNG CẢM BIẾN

Không dây cảm biến mạng đặt ra nhiều thách thức, chủ yếu

là vì các nút cảm biến là nguồn lực hạn chế Năng lượng bị hạn chế bởi nguồn pin hạn chế trong các nút cảm biến Yếu tố hình thức là một cân nhắc thiết kế nút quan trọng để dễ dàng hoạt động và triển khai cụ thể của các nút này, điều này giới hạn tài nguyên trong một nút Các giao thức và ứng dụng được thiết kế cho mạng cảm biến phải có tính hiệu quả cao và tối ưu hóa các tài nguyên được sử dụng.

Kiến trúc mạng cảm biến sử dụng các hệ thống mạng phân tán rộng rãi và rấtphức tạp bao gồm hàng trăm nút cảm biến nhỏ Các nút này trải qua nhiều phươngthức hoạt động khác nhau trong khi vẫn duy trì kiến thức cục bộ về mạng để có khảnăng mở rộng Các nút cũng có thể sử dụng các chức năng mạng như định tuyến mộtcách hợp tác để duy trì kết nối mạng Hành vi của mạng rất khó dự đoán vì tính ngẫunhiên trong trạng thái nút riêng lẻ và cấu trúc mạng

Thuật toán khám phá cấu trúc liên kết cho mạng cảm biến sử dụng phổ biến vàtổng hợp dữ liệu, gán chu trình nhiệm vụ và truy xuất trạng thái mạng Cấu trúc liênkết mạng cung cấp thông tin về các nút đang hoạt động, khả năng hoạt động củachúng và bản đồ khả năng tiếp cận của hệ thống

Thuật toán khám phá cấu trúc liên kết sử dụng phương tiện truyền thông không dây Các nút biết về sự tồn tại của các nút khác trong phạm vi giao tiếp của chúng bằng cách lắng nghe kênh liên lạc Thuật toán xác định một tập hợp các nút phân biệt và bằng cách sử dụng thông tin lân cận của chúng sẽ xây dựng cấu trúc liên kết gần đúng của mạng Chỉ các nút không thích hợp mới trả lời các đầu dò khám phá cấu trúc liên kết, do đó giảm chi phí giao tiếp của quá trình Các nút phân biệt này tạo thành các cụm bao gồm các nút trong vùng lân cận của chúng Các cụm này được sắp xếp theo cấu trúc cây, bắt nguồn từ nút giám sát hoặc nút khởi đầu.

Cây các cụm đại diện cho một tổ chức hợp lý của các nút và cung cấp một khuôn khổ để quản lý mạng cảm biến Chỉ thông tin cục bộ giữa các cụm liền kề fl có từ các nút trong một cụm đến các nút trong một cụm ở cấp độ khác trong cây các cụm Phân cụm cũng cung cấp một cơ chế để ấn định các chu kỳ nhiệm vụ của nút để một tập hợp các nút tối thiểu đang hoạt động trong việc duy trì kết nối mạng Các trưởng cụm chỉ phải chịu chi phí tối thiểu để thiết lập cấu trúc và duy trì thông tin địa phương về vùng lân cận của nó.

Mạng cảm biến về cơ bản có kiến trúc khác với mạng dữ liệu có dây Các nút được thiết kế với chi phí thấp và yếu tố hình thức nhỏ để dễ dàng triển khai với số lượng lớn Do đó, bộ nhớ, bộ xử lý và pin bị hạn chế được cung cấp Hạn chế về năng lượng cũng hạn chế phạm vi liên lạc của các thiết bị này Các nút này có nhiều phương thức hoạt động với các mức trạng thái tích cực và thụ động khác nhau để quản lý năng lượng Họ chỉ duy trì kiến thức cục bộ về mạng vì lưu trữ thông tin toàn cầu không thể mở rộng và có thể cung cấp các chức năng mạng như định tuyến, để duy trì kết nối mạng một cách hợp tác.

Hoạt động của mạng có thể rất khó đoán vì đặc tính hoạt động của các nút

và tính ngẫu nhiên trong đó mạng được thiết lập Do đó, các thuật toán coi sự thất bại của một mạng là một quy tắc hơn là một ngoại lệ và có thể xử lý điều này một cách dễ dàng hơn.

Một mô hình mạng cảm biến kết hợp các tính năng cụ thể như sau:

Cấu trúc liên kết mạng mô tả khả năng kết nối và khả năng tiếp cận hiện tại của các nút mạng và hỗ trợ các hoạt động định tuyến và triển khai nút trong tương lai.

Bản đồ năng lượng cung cấp các mức năng lượng của các nút trong các phần khác nhau của mạng Gradient năng lượng không gian và thời gian của các nút mạng cùng với cấu trúc liên kết mạng có thể được sử dụng để xác định các vùng năng lượng thấp của mạng.

Dạng sử dụng mô tả hoạt động của nút, dữ liệu được truyền trên một đơn

vị thời gian và theo dõi khẩn cấp trong mạng.

Mô hình chi phí cung cấp chi phí thiết bị, chi phí năng lượng và chi phí nhân lực để duy trì mạng ở mức hiệu suất mong muốn.

Các mô hình mạng có tính đến rằng các mạng cảm biến có độ khó cao và không đáng tin cậy.

Các mô hình trên tạo thành Cơ sở Thông tin Quản lý (MIB) cho các mạng cảm biến Để cập nhật MIB với trạng thái hiện tại của mạng, một nút giám sát sẽ đo các thông số mạng khác nhau Các phép đo có sai số không gian và thời gian và các đầu dò đo phải hoạt động ở mức độ chi tiết Một đầu dò sử dụng năng lượng từ hệ thống và bằng cách này có thể thay đổi trạng thái của mạng Các mô hình được sử dụng cho các chức năng quản lý mạng khác nhau như sau:

Các bộ cảm biến được triển khai một cách ngẫu nhiên với ít hoặc không có kiến thức trước về địa hình Việc triển khai các cảm biến trong tương lai phụ thuộc vào trạng thái mạng.

Thiết lập các thông số vận hành mạng liên quan đến bảng định tuyến, chu

kỳ nhiệm vụ của nút, giá trị thời gian chờ của các sự kiện khác nhau, ước tính vị trí, v.v.

Giám sát trạng thái mạng bằng cách sử dụng mô hình mạng liên quan đến việc đảm bảo định kỳ để có được các trạng thái khác nhau như kết nối mạng, bản đồ năng lượng, v.v.

Bảo trì mạng phản ứng được phục vụ bằng cách giám sát mạng khi các vùng có hiệu suất mạng thấp được truy tìm để xác định các lý do gây ra hiệu suất kém Các biện pháp khắc phục như triển khai các cảm biến mới hoặc định hướng đường truyền mạng xung quanh các khu vực đó là hữu ích.

Bảo trì mạng chủ động cho phép dự đoán trạng thái mạng trong tương lai từ việc đo lường định kỳ trạng thái mạng để xác định hành vi động của mạng và

dự đoán trạng thái trong tương lai Điều này rất hữu ích để dự đoán lỗi mạng và thực hiện hành động phòng ngừa.

Thiết kế mô hình mạng cảm biến với yếu tố chi phí và mô hình sử dụng được sử dụng để thiết kế kiến trúc mạng cảm biến.

6.2.1 Thuật toán khám phá cấu trúc liên kết

Thuật toán khám phá cấu trúc liên kết được sử dụng trong mạng cảm biến xây dựng cấu trúc liên kết của toàn bộ mạng từ quan điểm của một nút duy nhất Thuật toán có ba giai đoạn thực thi như sau:

Một nút giám sát yêu cầu cấu trúc liên kết của mạng để bắt đầu một yêu cầu khám phá cấu trúc liên kết.

• Yêu cầu này phân kỳ trong toàn mạng đến tất cả các nút đang hoạt động.

Một hành động phản hồi được thiết lập sẽ hội tụ trở lại nút khởi tạo với thông tin cấu trúc liên kết.

Phân kỳ yêu cầu thông qua mã hóa có kiểm soát để mỗi nút chuyển tiếp chính xác một yêu cầu khám phá cấu trúc liên kết Lưu ý rằng mỗi nút nên gửi ít nhất một gói để các nút khác biết sự tồn tại của nó Điều này cũng đảm bảo rằng tất cả các nút đều nhận được một gói nếu chúng được kết nối Các phương pháp khác nhau có thể được sử dụng cho hành động phản hồi.

Khi yêu cầu khám phá cấu trúc liên kết khác nhau, mọi nút đều nhận được thông tin về các nút lân cận Trong hành động phản hồi, mỗi nút có thể trả lời bằng danh sách vùng lân cận của nó Để minh họa hành động phản hồi của các phương thức này, mạng trong Hình 6.1 được trình bày với nút A là nút khởi tạo Yêu cầu khám phá cấu trúc liên kết đến nút B từ nút A và nút C và D từ nút

B Các yêu cầu chỉ được chuyển tiếp một lần để không có hành động nào diễn ra mặc dù nút C và D có thể nghe thấy yêu cầu từ nhau.

Trong cách tiếp cận phản hồi trực tiếp, chúng tôi thiết lập toàn bộ mạng bằng yêu cầu khám phá cấu trúc liên kết Khi một nút nhận được một yêu cầu khám phá cấu trúc liên kết, nó sẽ chuyển tiếp thông báo này và gửi lại phản hồi cho nút mà từ đó yêu cầu đã được nhận Hành động phản hồi cho các nút trong Hình 6.1 như sau:

• nút B trả lời cho nút A;

• nút C trả lời cho nút B; nút B chuyển tiếp câu trả lời đến nút A;

Hình 6.1 Một ví dụ minh họa khám phá cấu trúc liên kết

• nút D trả lời cho nút B; nút B chuyển tiếp câu trả lời đến nút A;

• nút A nhận được cấu trúc liên kết hoàn chỉnh.

Lưu ý rằng mặc dù các nút cha có thể nghe thấy các nút con khi chúng chuyển tiếp một yêu cầu (ví dụ: nút A biết về nút B khi nút B chuyển tiếp), điều này không hữu ích vì thông tin vùng lân cận của nó không đầy đủ Do đó, một gói phản hồi độc quyền là cần thiết để gửi thông tin về vùng lân cận.

Trong một phản hồi tổng hợp, tất cả các nút đang hoạt động sẽ gửi một yêu cầu khám phá cấu trúc liên kết nhưng đợi các nút con phản hồi trước khi gửi phản hồi của riêng chúng Sau khi chuyển tiếp một yêu cầu khám phá cấu trúc liên kết, một nút sẽ biết danh sách vùng lân cận và các nút con của nó bằng cách lắng nghe kênh giao tiếp Khi điều này được thiết lập, nút sẽ đợi phản hồi từ các nút con của nó Sau khi nhận được phản hồi, nút sẽ tổng hợp dữ liệu và gửi nó đến cha mẹ của chính nó Hành động phản hồi cho các nút trong Hình 6.1 như sau:

nút C và D yêu cầu chuyển tiếp; nút B lắng nghe các nút này và suy ra chúng là con của nó;

• nút C trả lời cho nút B; Nút D trả lời cho nút B; nút B tổng hợp thông tin từ các nút C, D và chính nó; nút B chuyển tiếp câu trả lời đến nút A;

• nút A nhận được cấu trúc liên kết hoàn chỉnh.

Trong cách tiếp cận phản hồi theo cụm, mạng được chia thành tập hợp các cụm Mỗi cụm được đại diện bởi một nút (được gọi là đầu cụm) và mỗi nút

là một phần của ít nhất một cụm Vì vậy, mỗi nút nằm trong phạm vi của ít nhất một đầu cụm Hành động phản hồi chỉ được tạo ra bởi các trưởng cụm gửi thông tin về các nút trong cụm của nó Tương tự như phương pháp phản hồi tổng hợp, các trưởng cụm có thể tổng hợp thông tin từ các trưởng cụm khác trước khi gửi phản hồi Hành động phản hồi cho các nút trong Hình 6.1 như sau:

• giả sử rằng nút B là một đầu cụm và các nút C và D nằm trong cụm của nó;

• các nút C và D không trả lời;

• chỉ có nút B trả lời cho nút A;

• nút A không nhận được thông tin về liên kết C ← → D.

Thông tin có thể không đầy đủ khi sử dụng cách tiếp cận phản hồi theo nhóm Các phương pháp phản hồi trực tiếp và tổng hợp cung cấp một

chế độ xem cấu trúc liên kết mạng Phản hồi theo cụm tạo ra một bản đồ khả năng tiếp cận trong đó tất cả các đầu cụm có thể truy cập cho phép tất cả các nút khác có thể truy cập được từ ít nhất một đầu cụm.

Chi phí phát sinh trong việc khám phá cấu trúc liên kết bằng cách tiếp cận phản hồi theo cụm thấp hơn đáng kể so với các phương pháp tiếp cận phản hồi trực tiếp hoặc tổng hợp.

Thuật toán cây Steiner: để tạo thành một cây tối thiểu với tập hợp các đầu cụm.

Đây là các bài toán tối ưu hóa tổ hợp Hơn nữa, để có một giải pháp tối

ưu, chúng ta cần có thông tin toàn cầu về mạng trong khi các nút chỉ có thông tin cục bộ Do đó, phương pháp heuristics được sử dụng, cung cấp giải pháp gần đúng cho các vấn đề Thuật toán đơn giản và hoàn toàn phân tán, do đó có thể được áp dụng cho các mạng cảm biến.

Thuật toán phát hiện cấu trúc liên kết cho cụm dựa trên các bản ghi tham lam đơn giản (n) -approximation thuật toán cho tìm bìa bộ Ở mỗi giai đoạn, một nút được chọn từ các nút đã phát hiện bao phủ tối đa các nút chưa được phát hiện còn lại Trong trường hợp khám phá cấu trúc liên kết, các tập lân cận

và đỉnh trong đồ thị không được biết trong thời gian chạy, do đó việc thực hiện thuật toán không đơn giản Thay vào đó, các tập hợp lân cận phải được tạo ra khi yêu cầu khám phá cấu trúc liên kết truyền qua mạng Hai cách tiếp cận tô màu nút khác nhau được sử dụng để sắp xếp tập hợp các đầu cụm trong quá trình truyền yêu cầu: cách tiếp cận thứ nhất sử dụng ba màu và cách tiếp cận thứ hai sử dụng bốn màu Cơ chế tạo phản hồi là giống nhau trong cả hai trường hợp.

Trong sự lan truyền yêu cầu với ba màu, tất cả các nút, nhận được gói yêu cầu khám phá cấu trúc liên kết và còn sống, được coi là các nút được phát hiện Màu nút mô tả trạng thái nút như sau:

 Màu trắng là nút chưa được phát hiện hoặc nút chưa nhận được gói khám phá cấu trúc liên kết.

 Màu đen là nút đầu cụm, nút này trả lời yêu cầu khám phá cấu trúc liên kết với tập hợp lân cận của nó.

 Màu xám là nút được bao phủ bởi ít nhất một nút đen, tức là nó là hàng xóm của nút đen.

Ban đầu tất cả các nút đều có màu trắng Khi các cổng yêu cầu khám phá cấu trúc liên kết, mỗi nút được tô màu đen hoặc xám tùy theo trạng thái của nó

trong mạng Vào cuối giai đoạn đầu của thuật toán, mỗi nút trong mạng là nút đen hoặc lân cận của nút đen (tức là nút xám) Tất cả các nút phát một cấu trúc liên kếtchế độ xem cấu trúc liên kết mạng Phản hồi theo cụm tạo ra một bản đồ khả năng tiếp cận trong đó tất cả các đầu cụm có thể truy cập cho phép tất cả các nút khác có thể truy cập được từ ít nhất một đầu cụm Chi phí phát sinh trong việc khám phá cấu trúc liên kết bằng cách tiếp cận phản hồi theo cụm thấp hơn đáng kể so với các phương pháp tiếp cận phản hồi trực tiếp hoặc tổng hợp.

Chi phí giao tiếp cho phương pháp tiếp cận phản hồi theo cụm phụ thuộc vào số lượng cụm được hình thành và độ dài của đường dẫn kết nối các cụm.

Do đó, để đạt được tổng chi phí giao tiếp tối thiểu, các vấn đề sau cần phải giải quyết:

Đặt vấn đề bao gồm: để fi một tập hợp số lượng tối thiểu của các đầu cụm, mà phải trả lời.

Bài toán cây Steiner: để tạo thành một cây tối thiểu với tập hợp các đầu cụm.

Đây là các bài toán tối ưu hóa tổ hợp Hơn nữa, để có một giải pháp tối

ưu, chúng ta cần có thông tin toàn cầu về mạng trong khi các nút chỉ có thông tin cục bộ Do đó, phương pháp heuristics được sử dụng, cung cấp giải pháp gần đúng cho các vấn đề Thuật toán đơn giản và hoàn toàn phân tán, do đó có thể được áp dụng cho các mạng cảm biến.

Thuật toán phát hiện cấu trúc liên kết cụm dựa trên các bản ghi tham lam đơn giản (n) -approximation thuật toán cho tìm bìa bộ Ở mỗi giai đoạn, một nút được chọn từ các nút đã phát hiện bao phủ tối đa các nút chưa được phát hiện còn lại Trong trường hợp khám phá cấu trúc liên kết, các tập lân cận và đỉnh trong đồ thị không được biết trong thời gian chạy, do đó việc thực hiện thuật toán không đơn giản Thay vào đó, các tập hợp lân cận phải được tạo ra khi yêu cầu khám phá cấu trúc liên kết truyền qua mạng Hai cách tiếp cận tô màu nút khác nhau được sử dụng để sắp xếp tập hợp các đầu cụm trong quá trình truyền

yêu cầu: cách tiếp cận thứ nhất sử dụng ba màu và cách tiếp cận thứ hai sử dụng bốn màu Cơ chế tạo phản hồi là giống nhau trong cả hai trường hợp.

Trong sự lan truyền yêu cầu với ba màu, tất cả các nút, nhận được gói yêu cầu khám phá cấu trúc liên kết và còn sống, được coi là các nút được phát hiện Màu nút mô tả trạng thái nút như sau:

Màu trắng là nút chưa được phát hiện hoặc nút chưa nhận được gói khám phá cấu trúc liên kết.

Màu đen là nút đầu cụm, nút này trả lời yêu cầu khám phá cấu trúc liên kết với tập hợp lân cận của nó.

Màu xám là nút được bao phủ bởi ít nhất một nút đen, tức là nó là hàng xóm của nút đen.

Ban đầu tất cả các nút đều có màu trắng Khi các cổng yêu cầu khám phá cấu trúc liên kết, mỗi nút được tô màu đen hoặc xám tùy theo trạng thái của nó trong mạng Vào cuối giai đoạn đầu của thuật toán, mỗi nút trong mạng là nút đen hoặc lân cận của nút đen (tức là nút xám) Tất cả các nút phát một gói yêu cầu khám phá cấu trúc liên kết chính xác một lần trong giai đoạn đầu của thuật toán Do đó, tất cả các nút đều có thông tin về vùng lân cận bằng cách lắng nghe các đường truyền này Các nút có sẵn danh sách vùng lân cận trước khi xác nhận cấu trúc liên kết được trả về.

Hai heuristics được sử dụng để xác định tập lân cận tiếp theo được xác định bởi một nút đen mới, bao gồm số lượng tối đa các nút không được che phủ Phương pháp heuristic đầu tiên sử dụng cơ chế tô màu nút để xác định tập hợp các nút cần thiết Phương pháp heuristic thứ hai áp dụng độ trễ chuyển tiếp tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa các nút nhận và gửi Các heuristics này cung cấp một giải pháp khá gần với giải pháp tập trung tham lam tập trung Quá trình này như sau:

Nút khởi tạo yêu cầu khám phá cấu trúc liên kết được gán màu đen và phát một gói yêu cầu khám phá cấu trúc liên kết.

Tất cả các nút màu trắng trở thành các nút màu xám khi chúng nhận được một gói tin từ một nút màu đen Mỗi nút xám phát yêu cầu đến tất cả các lân cận của nó với độ trễ ngẫu nhiên tỷ lệ nghịch với khoảng cách của nó từ nút đen mà từ đó nó nhận được gói tin.

Khi một nút trắng nhận được một gói tin từ một nút xám, nó sẽ trở thành một nút đen với một số độ trễ ngẫu nhiên Trong khi chờ đợi, nếu nút trắng đó nhận được một gói tin từ một nút đen, nó sẽ trở thành một nút xám Độ trễ ngẫu nhiên tỷ lệ nghịch với khoảng cách từ nút xám mà từ đó yêu cầu được nhận.

Khi các nút có màu xám hoặc đen, chúng sẽ bỏ qua các gói yêu cầu khám phá cấu trúc liên kết khác.

Một nút đen mới được chọn để bao gồm số lượng tối đa các phần tử chưa được phát hiện Điều này đạt được bằng cách có độ trễ chuyển tiếp tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa các nút gửi và nhận Heuristic đằng sau việc có độ trễ chuyển tiếp tỷ lệ nghịch với khoảng cách từ nút gửi được giải thích như sau.

Vùng phủ sóng của mỗi nút là vùng hình tròn có tâm tại nút với bán kính bằng phạm vi truyền thông của nó Số lượng nút được bao phủ bởi một nút tỷ lệ với diện tích phủ của nó nhân với mật độ nút cục bộ Số lượng các nút mới được bao phủ bởi một nút chuyển tiếp tỷ lệ với vùng phủ của nó trừ đi vùng đã được bao phủ Điều này được minh họa trong Hình 6.2 trong đó nút A làm cho các nút B và C có màu xám Nút B chuyển tiếp một gói trước khi nút C thực hiện,

để nhiều nút mới hơn có thể nhận được yêu cầu Sự chậm trễ làm cho nút D có nhiều khả năng có màu đen hơn là nút

E Nút trung gian giữa hai nút đen (nút B trong hình 6.2) luôn luôn là nút

Figure 6.2 Illustration of the delay heuristic for three colors.

mỗi nút có màu đen, xám hoặc xám đậm tùy theo trạng thái của chúng trong mạng Do đó, cuối cùng tất cả các nút trong mạng đều là các nút đen hoặc các nút lân cận của các nút đen (tức là các nút xám) như sau:

Nút khởi tạo yêu cầu khám phá cấu trúc liên kết được gán màu đen và phát một gói yêu cầu khám phá cấu trúc liên kết.

Tất cả các nút màu trắng trở thành các nút màu xám khi chúng nhận được một gói tin từ một nút màu đen Các nút xám này phát yêu cầu đến tất cả các hàng xóm của chúng với độ trễ tỷ lệ nghịch với khoảng cách của nó đến nút đen

mà từ đó chúng nhận được yêu cầu.

Khi một nút trắng nhận được một gói tin từ nút xám, nó sẽ trở thành màu xám đen Nó phát yêu cầu này đến tất cả các nước láng giềng và bắt đầu hẹn giờ

để trở thành một nút đen Độ trễ chuyển tiếp tỷ lệ nghịch với khoảng cách của nó từ nút xám mà từ đó nó nhận được yêu cầu này.

Khi một nút trắng nhận được một gói tin từ nút xám đen, nó sẽ trở thành một nút đen với một số độ trễ ngẫu nhiên Trong khi chờ đợi, nếu nút trắng đó nhận được một gói tin từ một nút đen, nó sẽ trở thành một nút xám.

Một nút màu xám đen chờ một thời gian giới hạn để một trong những nút lân cận của nó trở thành màu đen Khi bộ đếm thời gian hết hạn, nút màu xám đen sẽ trở thành một nút màu đen vì không có nút màu đen nào để che nó.

Khi các nút có màu xám hoặc đen, chúng sẽ bỏ qua các gói yêu cầu khám phá cấu trúc liên kết khác.

Phương pháp heuristic đằng sau việc có bốn màu cho thuật toán được giải thích bằng cách sử dụng Hình 6.3 Một nút đen mới nên được chọn để nó bao gồm số lượng tối đa các phần tử chưa được che phủ Các nút đen được ngăn cách với nhau bằng hai bước nhảy để các nút chỉ thuộc về một vùng lân cận nút đen (ví dụ: nút A và D) Điều này có thể không thực hiện được trong mọi trường hợp và một số nút đen được hình thành chỉ cách nút khác một bước (ví dụ, nút E) Heuristic đằng sau nguyên tắc trì hoãn chuyển tiếp tương tự như heuristic ba màu.

Hình 6.3 Hình minh họa về chu kỳ trễ đối với bốn màu.

Số lượng các cụm được hình thành bởi heuristic bốn màu thấp hơn một chút so với heuristic ba màu Trong bốn màu heuristic, các cụm được hình thành với sự chồng chéo ít hơn Có một số nút màu đen đơn độc, được tạo ra từ các nút màu xám đen đã hết thời gian để trở thành màu đen, không cần che bất kỳ nút nào trong số các nút lân cận của chúng Do đó, mặc dù số lượng nút đen tương tự như ba màu heuristic, nhưng số lượng byte được truyền đi thấp hơn.

Tuy nhiên, cách tiếp cận ba màu tạo ra một cây gồm các cụm, điều này phù hợp hơn với các ứng dụng quản lý mạng.

Trong cơ chế phản hồi của thuật toán khám phá cấu trúc liên kết, giai đoạn đầu tiên của thuật toán là thiết lập màu nút Nút khởi đầu trở thành gốc của cây nút đen nơi các nút đen cha cách nút đen con của nó nhiều nhất là hai bước nhảy (sử dụng bốn màu) và cách nút đen con của nó một bước (sử dụng ba màu) Mỗi nút có thông tin sau:

• Một cụm được xác định bởi nút đen, nút đứng đầu cụm.

• Một nút màu xám biết ID cụm của nó (nhận dạng).

Mỗi nút biết nút đen cha mẹ của nó, là nút đen cuối cùng mà từ đó khám phá cấu trúc liên kết được chuyển tiếp để đến nút này.

Mỗi nút đen biết nút mặc định mà nó chuyển tiếp các gói để đến được nút đen cha Nút này về cơ bản là nút mà từ đó nút đen nhận được yêu cầu khám phá cấu trúc liên kết.

• Tất cả các nút đều có thông tin về vùng lân cận của chúng.

Sử dụng thông tin trên, các bước cho phản hồi thuật toán khám phá cấu trúc liên kết được mô tả như sau:

Khi một nút trở nên đen, nó sẽ thiết lập một bộ đếm thời gian để trả lời yêu cầu khám phá Mỗi nút đen đợi trong khoảng thời gian này mà nó nhận được phản hồi từ các nút đen con của nó Nút tổng hợp tất cả danh sách vùng lân cận từ con và chính nó, và khi khoảng thời gian báo nhận hết hạn, nó sẽ chuyển tiếp danh sách vùng lân cận tổng hợp đến nút mặc định ở bước tiếp theo tới nút cha của nó.

Tất cả các nút chuyển tiếp ở giữa các nút đen cũng có thể thêm danh sách

kề của chúng vào danh sách cho các nút đen.

Để thuật toán hoạt động bình thường, thời gian chờ của các xác nhận phải được đặt đúng cách Ví dụ: thời gian chờ của các nút đen con phải luôn hết trước nút đen cha Do đó, giá trị thời gian chờ được đặt ngược lại

tỷ lệ với số bước nhảy mà một nút đen ở cách nút giám sát Yêu cầu giới hạn trên về số bước nhảy giữa các nút cực đại Nếu ban đầu biết được phạm vi vùng triển khai và phạm vi giao tiếp của các nút thì có thể dễ dàng tính được số bước nhảy tối đa Tuy nhiên, nếu thông tin đó không có sẵn cho các nút, thì việc khám phá cấu trúc liên kết sẽ chạy theo các giai đoạn mà nó chỉ phát hiện ra một phạm vi nhất định của khu vực ở mỗi giai đoạn Một cây điển hình của các cụm thu được bằng thuật toán khám phá cấu trúc liên kết được thể hiện trong Hình 6.4 Ví dụ cho thấy một khu vực 100 100 mét vuông với 200 nút và phạm

vi giao tiếp là 20 mét Mũi tên đại diện cho nút khởi tạo Các đặc điểm của các cụm như sau:

Tổng diện tích bề mặt và phạm vi giao tiếp của các nút ràng buộc số lượng nút đen tối đa được hình thành.

Số lượng nút trong mỗi cụm phụ thuộc vào mật độ mạng cục bộ.

• Độ sâu của cây bị ràng buộc.

Các đường dẫn định tuyến gần như tối ưu cho dữ liệu giữa nguồn (nút cảm biến) và phần chìm (nút giám sát).

Hình 6.4 Hình minh họa một cụm cây với 200 nút và phạm vi

một nút từ bất kỳ đường dẫn nào Vì các mạng cảm biến đang được xem xét ở đây dày đặc, với nhiều đường dẫn tồn tại giữa nguồn và đích, lỗi kênh không tạo ra tác động đáng kể Số lượng các nút đen được hình thành có thể tăng lên

do mất gói.

Tuy nhiên, các gói xác nhận cấu trúc liên kết được trả về thông qua các đường dẫn được chỉ định duy nhất và do đó các gói có thể bị mất Ngoài ra, thuật toán làm giảm sự dư thừa của thông tin cấu trúc liên kết được truyền giữa các gói khác nhau và việc mất một gói có thể là không đáng kể Khi các gói được tổng hợp trong khi di chuyển lên cây cụm, mức độ mất mát có thể tăng lên.

Vấn đề này có một giải pháp đơn giản nếu tất cả các liên kết là đối xứng Nếu nút A có thể lắng nghe nút B khi nút B đang truyền, thì nút B có thể lắng nghe nút A khi nút A truyền Khi một phản hồi khám phá cấu trúc liên kết phải được gửi từ nút A, nó sẽ chuyển gói tin đến nút mặc định của nó (ví dụ nút B) Nút B, khi nhận được gói tin này, sẽ chuyển tiếp nó đến nút mặc định của chính nó, bước tiếp theo tới nút cha Bây giờ nút A có thể lắng nghe bất kỳ gói nào được chuyển tiếp bởi nút B và do đó nút A sẽ biết liệu nút B có chuyển tiếp cùng một gói hay không Nếu nút A không nghe thấy một gói tin như vậy, nó sẽ truyền lại gói đó với giả định rằng nút B không bao giờ nhận được gói đó do lỗi kênh.

Nghe trộm có thể được sử dụng như một cơ chế xác nhận gián tiếp để truyền đáng tin cậy Chi phí bổ sung duy nhất cho phương pháp đơn giản này là mọi gói được chuyển tiếp phải được lưu trữ tại một nút cho đến khi gói được truyền đi một cách đáng tin cậy Nút sử dụng năng lượng trong khi lắng nghe các đường truyền và không thể tự tắt ngay sau khi chuyển tiếp một gói tin.

6.2.3 Các ứng dụng của khám phá cấu trúc liên kết

Mục đích chính của quá trình khám phá cấu trúc liên kết là cung cấp cho ngườiquản trị mạng cấu trúc liên kết mạng như sau:

• Bản đồ kết nối Phản ứng trực tiếp và các cơ chế phản ứng tổng hợp cung cấptoàn bộ bản đồ kết nối của khu vực Lưu ý rằng các phương thức phản hồi theo cụmkhông thể cung cấp thông tin này

• Bản đồ khả năng tiếp cận Cơ chế thuật toán khám phá cấu trúc liên kết cungcấp một bản đồ khả năng tiếp cận của khu vực Bản đồ kết nối là một tập hợp siêu củabản đồ khả năng tiếp cận

• Mô hình năng lượng Khi một nút chuyển tiếp yêu cầu khám phá cấu trúcliên kết, nó có thể bao gồm năng lượng sẵn có của nó trong gói Mỗi nút có thể lưutrữ thông tin năng lượng của tất cả các nút lân cận của nó Nếu một nút không trởthành màu đen, nó có thể loại bỏ giá trị được lưu trong bộ nhớ cache Do đó, tất cảcác nút đen đều có thông tin năng lượng về tất cả các nước láng giềng của chúng, cóthể được gửi đi như một phần của câu trả lời Một nút đen cũng có thể ước tính mứctiêu thụ năng lượng của các nút trong cụm của nó bằng cách lắng nghe các gói đượctruyền

• Mô hình sử dụng Như trong trường hợp trước, mỗi nút có thể truyền số byte

mà nút này nhận và truyền trong vài phút cuối cùng Một nút đen sẽ có thông tin nàyđược lưu vào bộ nhớ cache tại thời điểm nó gửi phản hồi

Bằng cách này, thuật toán khám phá cấu trúc liên kết cung cấp các chế độ xemkhác nhau của mạng cho người dùng Chúng tôi giả định rằng trong mạng cảm biến,thông tin truyền từ cảm biến đến nút giám sát với một số thông tin điều khiển đượctruyền từ nút giám sát đến các cảm biến Quá trình khám phá cấu trúc liên kết thiếtlập một cây gồm các cụm bắt nguồn từ nút khởi tạo Do đó, bất kỳ luồng dữ liệu nàotừ một cảm biến đến nút giám sát phải chảy lên cây các cụm Mỗi cụm có một sốlượng nút tối thiểu, các nút này đang hoạt động để chuyển các gói giữa một cặp cụmcha và con Bất cứ khi nào cảm biến cần gửi một số dữ liệu đến màn hình, nó có thểđánh thức và phát đi Cơ chế phân công chu kỳ nhiệm vụ đảm bảo rằng ít nhất mộtnút đang hoạt động và chịu trách nhiệm chuyển tiếp dữ liệu đến cụm tiếp theo Cũngcó ít nhất một nút trong cụm tiếp theo đang hoạt động để nhận gói tin này Mỗi nútđen bao phủ một vùng được xác định bởi phạm vi giao tiếp của nó Về mặt logic, nútđen cha mẹ cũng bao phủ khu vực được bao phủ bởi các nút đen con của nó Vì vậy,

khu vực được che phủ sẽ truyền cây lên và màn hình bao phủ toàn bộ khu vực Khuvực được bao phủ bởi mỗi nút đen có thể được lưu trong bộ nhớ cache trong giai đoạnphản hồi cấu trúc liên kết Nút đen cha nhận các vùng như vậy từ các nút con của nó

và đến lượt nó, làm cho vùng lớn hơn gần đúng với vùng phủ hợp lý của nó Các truyvấn dựa trên khu vực từ nút giám sát có thể được các nút đen chuyển đến khu vựcthích hợp bằng cách sử dụng thông tin vùng phủ của chúng Trên đường dẫn trả về,

dữ liệu có thể được tổng hợp tại các nút đen Chu kỳ nhiệm vụ của các nút để chuyểntiếp dữ liệu được thiết lập như sau Mỗi nút trong một cụm có ít nhất thông tin sau:

ID cụm (mã định danh) và nút đen cha, là nút đen cuối cùng mà từ đó yêu cầu khámphá cấu trúc liên kết được chuyển tiếp Trong mỗi cụm, bằng cách sử dụng thông tinnày, các tập hợp các nút giữa hai cụm được chọn để chuyển tiếp các gói giữa các cụm

Ít nhất một nút trong mỗi tập hợp đang hoạt động tại một thời điểm nhất định để duytrì liên kết giữa một cặp cụm cha và con

Trong bài tập với thông tin vị trí, các nút có kiến thức về vị trí địa lý của chúng.Sau khi một nút đen đã gửi một xác nhận cấu trúc liên kết, nó có kiến thức về cả nútđen cha và các nút đen con Bằng cách sử dụng thông tin này, các tập hợp các nút chomỗi cặp cha và con, cần được thiết lập, sao cho trong bất kỳ tập hợp nào, chỉ cần mộtnút hoạt động để truyền hoặc nhận các gói từ các cụm Hình 6.5 cho thấy một trườnghợp chung trong đó một cụm (với nút đen B) có thể được hình thành như con của mộtcụm khác (với nút đen A) Vì ba màu được sử dụng để thiết lập cây của các cụm, nêncó một nút trung gian giữa các cụm (nút C)

Phạm vi giao tiếp của các nút bằng R Trong một vùng hình tròn có bán kính

R / 2, được thể hiện bằng đường tròn chấm, các nút luôn tạo thành một đồ thị liênthông hoàn toàn, vì mỗi nút nằm trong phạm vi giao tiếp của các nút khác Vùng nàyđược căn giữa tại điểm giữa (điểm P) của một cặp cụm cha và con Nếu có ít nhất mộtnút đang hoạt động trong cả hai cụm bên trong vùng này, thì một gói tin có thể đượcchuyển tiếp từ cụm này sang cụm khác Thuật toán thiết lập các tập hợp các nút nhưsau

• Các nút đen gửi một gói thông tin về cụm cha và cụm con của nó cho tất cảcác nhóm lân cận của nó Gói tin này cũng chứa thông tin vị trí về các nút đen, là đầucủa các cụm tương ứng

• Các nút quyết định trở thành một phần của bộ chuyển tiếp gói tin bằng cáchxem xét một vùng hình tròn bán kính R / 2 tập trung tại điểm giữa của cặp nút đen cụthể

• Nếu một nút nằm trong vùng như vậy cho một cặp gói cụ thể, nút này sẽ trởthành một nút chuyển tiếp hoạt động cho cặp cụm đó với một số độ trễ ngẫu nhiên

• Khi nút trở thành một nút chuyển tiếp, nó sẽ gửi một gói để báo hiệu sự kiệnnày Tất cả các nút khác sẽ chuyển sang chế độ nghỉ cho cặp cụm này Tuy nhiên,chúng có thể ở chế độ hoạt động cho các cặp cụm khác

• Một nút có thể từ bỏ trạng thái hoạt động của nó cho một cặp cụm sau khi nútnày đã sử dụng một lượng năng lượng nhất định Nút gửi tín hiệu để một trong cácnút ngủ khác có thể hoạt động Khi nút hoạt động nhận được tín hiệu phản hồi từ mộtnút khác, nó sẽ chuyển sang chế độ ngủ cho cặp cụm đó

• Mặc dù vùng tròn bán kính R / 2 chồng lên nhau hai cụm, nhưng có thể khôngcó các nút khác trong cả hai cụm Vì tất cả các nút có thể nhận được truyền từ nhautrong vùng này, khi một nút đang hoạt động trong một cụm nhận được tín hiệu về việckích hoạt một nút khác trong cụm khác, nó báo hiệu cho nút đen rằng tồn tại ít nhấtmột nút trong mỗi cụm và các vùng chồng chéo có thể được sử dụng để chuyển tiếpgói tin

• Nút trung gian giữa hai nút đen được sử dụng để chuyển tiếp nếu vùngchồng lấn không có các nút khác trong cả hai cụm.

• Trong quá trình chuyển tiếp, nút đen lắng nghe tất cả các gói và chỉ chuyểntiếp các gói từ nút gửi nằm ngoài phạm vi của nút chuyển tiếp đang hoạt động

Hình 6.6 minh họa cách một gói được chuyển tiếp giữa các cụm Có hai cụmvới các nút đen A và B Các nút chuyển tiếp tương ứng trong vùng chồng chéo là nút

C và nút D Khi nút P gửi một gói tin, nút A xác định xem nút P có nằm trong phạm vicủa nút C Không không, sau đó nút A chuyển tiếp gói tin đến nút C Nếu không, nút

C có thể lắng nghe gói tin từ nút P Nút C chuyển tiếp gói tin trong vùng chồng lấn mànút D nhận được nó Lưu ý rằng vì nút C nằm trong phạm vi của nút P nên nút đen Akhông cần chuyển tiếp gói tin này Trong nhiệm vụ không có thông tin vị trí, các nútkhông có thông tin về vị trí của chúng Cây chùm ba màu có đặc tính mà bất kỳ cặpbố mẹ và con cái nào, cùng lắm là cách nhau một bước nhảy Điều này có nghĩa là cónhiều nhất một nút trung gian giữa hai nút đen bất kỳ

Trong thuật toán đã thảo luận, vị trí của các nút đen đã được biết và điểm giữathực tế đã được tính toán Các nút bên trong một vùng hình tròn bán kính R / 2 có tâmtại điểm này, được xem xét để chuyển tiếp Điều này chỉ có thể thực hiện được vớithông tin vị trí Trong cách tiếp cận không có thông tin vị trí, một vòng tròn bán kính

R / 2 được đặt ở tâm tại nút trung gian giữa hai nút đen Hình 6.7 minh họa cơ chếnày Nút trung gian C gửi một thông báo để thiết lập các nút chuyển tiếp Các núttrong khoảng cách R / 2 (được hiển thị bằng vòng tròn chấm chấm) từ nút trung giannày tự coi là chuyển tiếp giữa một cặp cụm cụ thể Thủ tục còn lại hoàn toàn giốngvới cách tiếp cận với thông tin vị trí Do thiếu thông tin vị trí, một nút đen không thểquyết định khả năng truy cập lại của các gói giữa các nút chuyển tiếp Nút đen, thayvì chuyển tiếp một gói ngay lập tức, sẽ đợi một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khichuyển tiếp gói đó Trong khi chờ đợi, nếu nút đen nghe thấy rằng nút chuyển tiếpđang hoạt động chuyển tiếp cùng một gói tin, nó sẽ không chuyển tiếp gói tin này

6.3 ĐIỀU CHỈNH ADAPTIVE VỚI LỰA CHỌN ĐẦU CỤM XÁC ĐỊNH

Giảm tiêu thụ điện năng của mạng cảm biến vi cảm biến không dây làm tăngtuổi thọ của mạng Giao thức truyền thông LEACH (Cấu trúc phân cụm thích ứngnăng lượng thấp) có thể được mở rộng từ thuật toán lựa chọn đầu cụm ngẫu nhiên đểbao gồm một thành phần xác định Bằng cách này, tùy thuộc vào cấu hình mạng, cóthể tăng tuổi thọ mạng Tuổi thọ của mạng cảm biến vi mô được xác định bằng cách

sử dụng ba chỉ số FND (Số nút chết đầu tiên), HNA (Một nửa số nút sống sót) vàLND (Số nút chết cuối cùng)

LEACH là một giao thức truyền thông dành cho mạng cảm biến vi mô Nóđược sử dụng để thu thập dữ liệu từ các vi cảm biến phân tán và truyền nó đến mộttrạm gốc LEACH sử dụng mô hình phân cụm sau: một số nút tự chọn mình làm đầucụm, thu thập dữ liệu cảm biến từ các nút khác trong vùng lân cận và chuyển dữ liệutổng hợp đến trạm gốc Vì dữ liệu truyền đến trạm gốc tiêu hao nhiều năng lượng, cácnút thay phiên nhau truyền bằng cách xoay các đầu cụm, điều này dẫn đến mức tiêuthụ năng lượng cân bằng của tất cả các nút và do đó kéo dài tuổi thọ của mạng Việc

sửa đổi thuật toán lựa chọn đầu cụm của LEACH giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng.Đối với mạng cảm biến vi mô, các giả định sau được thực hiện:

• trạm gốc (BS) nằm xa các cảm biến và bất động;

• tất cả các nút trong mạng là đồng nhất và hạn chế năng lượng;

• tất cả các nút đều có thể tiếp cận BS;

• các nút không có thông tin vị trí;

• kênh truyền là đối xứng;

• đầu cụm thực hiện nén dữ liệu

Năng lượng cần thiết để truyền một bit dữ liệu từ nút A đến nút B, cũng giốngnhư để truyền một bit từ nút B đến nút A vì kênh truyền đối xứng Đầu cụm thu thậpcác bản tin nk-bit từ n nút liền kề và nén dữ liệu thành (c × n) bản tin k-bit, đượctruyền đến BS, với c? 1 là hệ số nén Hoạt động của LEACH được chia thành cácvòng, mỗi vòng bao gồm một giai đoạn thiết lập và một giai đoạn trạng thái ổn định.Trong giai đoạn thiết lập, người đứng đầu cụm được xác định và các cụm được tổchức Trong giai đoạn trạng thái ổn định, truyền dữ liệu đến trạm gốc xảy ra

Các đầu cụm LEACH được chọn ngẫu nhiên bởi mỗi nút n xác định một sốngẫu nhiên từ 0 đến 1 Nếu số nhỏ hơn ngưỡng T (n), nút sẽ trở thành đầu cụm chovòng hiện tại Xem xét một vòng LEACH duy nhất, lựa chọn đầu cụm ngẫu nhiên sẽkhông tự động dẫn đến mức tiêu thụ năng lượng tối thiểu trong quá trình truyền dữliệu cho một tập hợp các nút nhất định Tất cả các đầu cụm có thể nằm gần các cạnhcủa mạng hoặc các nút liền kề có thể trở thành đầu cụm Trong những trường hợpnày, một số nút phải vượt qua khoảng cách xa để đạt được một đầu cụm Tuy nhiên,nếu xét từ hai vòng trở lên, việc lựa chọn đầu cụm thuận lợi dẫn đến lựa chọn đầu cụmkhông thuận lợi trong các vòng sau, vì LEACH cố gắng phân phối năng lượng tiêu thụgiữa tất cả các nút Một trường hợp ví dụ được thể hiện trong Hình 6.8 Trong trườnghợp xấu, người đứng đầu cụm

Hình 6.8 Mạng LEACH với P = 0,2, n = 20 và kích thước mạng 100 × 100 mét.

Ở trên, các đầu cụm được đặt gần nhau và gần các cạnh dẫn đến tiêu thụ năng lượngcao vì các nút phải truyền tải trên một khoảng cách dài Bên dưới, năng lượng đượctiết kiệm bằng cách phân phối đồng đều các đầu cụm qua mạng Tập hợp các nútchưa phải là đầu cụm trong vòng 0 và 1 là bằng nhau cho cả hai trường hợp

được chọn không thuận lợi ở gần các cạnh, trong vòng 0 ở phía bên phải vàtrong vòng 1 ở phía bên trái của mạng Trong trường hợp tốt, đầu cụm không đượcphân phối tối ưu trên toàn mạng, nhưng tốt hơn trong trường hợp xấu Việc lựa chọncác đầu cụm thuận lợi sẽ không tự động dẫn đến mức tiêu thụ năng lượng cao hơntrong các vòng sau

4 KỸ THUẬT ĐIỀU CHỈNH TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Việc lựa chọn đầu cụm thuận lợi trong các vòng trước không dẫn đến việc lựachọn đầu cụm bất lợi trong các vòng sau Do đó, năng lượng tiết kiệm từ các vòngtrước sẽ không bị tiêu hao do năng lượng tiêu hao cao hơn ở các vòng sau Về tiêu thụ

năng lượng, một thuật toán lựa chọn đầu cụm xác định có thể thực hiện một thuật toánngẫu nhiên

Định nghĩa về thời gian tồn tại của mạng cảm biến vi mô được xác định bởiloại dịch vụ mà nó cung cấp Do đó, ba cách tiếp cận để xác định thời gian tồn tạiđược xem xét Trong một số trường hợp, tất cả các nút phải tồn tại càng lâu càng tốt,vì chất lượng mạng giảm đáng kể ngay sau khi một nút chết Các tình huống chotrường hợp này bao gồm đột nhập hoặc phát hiện cháy Trong những trường hợp này,điều quan trọng là phải biết khi nào nút đầu tiên chết Số liệu Số lần chết nút đầu tiên(FND) biểu thị giá trị ước tính cho sự kiện này trong một cấu hình mạng cụ thể Hơnnữa, các cảm biến có thể được đặt gần nhau Do đó, các cảm biến lân cận có thể ghilại dữ liệu liên quan hoặc giống hệt nhau Do đó, việc mất một hoặc một vài nútkhông tự động làm giảm chất lượng dịch vụ trong mạng Trong trường hợp này, chỉsố Half of the Nodes Alive (HNA) biểu thị giá trị ước tính cho chu kỳ bán rã củamạng cảm biến vi mô Cuối cùng, số liệu Last Node Dies (LND) cung cấp giá trị ướctính cho thời gian tồn tại tổng thể của mạng cảm biến vi mô

Đối với một thuật toán dựa trên cụm như LEACH, số liệu LND không thú vị vìcần có nhiều hơn một nút để thực hiện thuật toán phân cụm Thảo luận về các thuậttoán bao gồm các chỉ số FND và HNA Một cách tiếp cận để tăng tuổi thọ của mạngLEACH là bao gồm mức năng lượng còn lại có sẵn trong mỗi nút Điều này có thểđạt được bằng cách giảm ngưỡng so với năng lượng còn lại của nút Việc sửa đổingưỡng đầu cụm này có thể tăng tuổi thọ của mạng cảm biến vi mô LEACH lên 30%đối với FND và hơn 20% đối với HNA

Việc sửa đổi phương trình ngưỡng theo năng lượng còn lại có một nhược điểmquan trọng, đó là sau một số vòng nhất định, mạng cảm biến không thể thực hiện, mặcdù vẫn còn các nút có đủ năng lượng để truyền dữ liệu đến trạm gốc Lý do cho điềunày là ngưỡng clusterhead quá thấp, vì các nút còn lại có mức năng lượng rất thấp

Một giải pháp khả thi cho vấn đề này là sửa đổi thêm phương trình ngưỡng,phương trình này được mở rộng bằng một hệ số làm tăng ngưỡng cho bất kỳ nút nàochưa phải là đầu cụm trong một số vòng nhất định Cơ hội để nút này trở thành đầu

cụm tăng lên do ngưỡng cao hơn Việc phong tỏa mạng có thể xảy ra đã được giảiquyết Bằng cách này, dữ liệu được truyền đến trạm gốc miễn là các nút còn sống.

6.4 HIỆU SUẤT CỦA BỘ ĐIỀU CHỈNH CẢM BIẾN

Mục tiêu của mạng cảm biến không dây là phát hiện các sự kiện quan tâm vàước tính các thông số đặc trưng cho các sự kiện này Thông tin kết quả được truyềnđến một hoặc nhiều vị trí bên ngoài mạng Ví dụ, một tình huống điển hình có thể baogồm một số cảm biến trải rộng trên một khu vực ngoài trời nhằm mục đích xác địnhlưu lượng xe Bước đầu tiên là xác định xem có xe hay không, và bước thứ hai làphân loại loại xe Các thông số như tốc độ, hướng và hàng hóa được quan tâm Hình6.9 cho thấy một sơ đồ khái niệm của ba lớp trong hệ thống vật lý Lớp cụm là nơi xử

lý tín hiệu cộng tác xảy ra, trong khi Mạng Ad hoc di động không dây (MANET) chịutrách nhiệm định tuyến và phổ biến thông tin Lưu ý rằng về mặt khái niệm, mạngkhông dây lớn hơn mạng cảm biến, vì nó bao gồm các nút bổ sung Các vấn đề trongthiết kế mạng cảm biến bao gồm:

• lựa chọn các thuật toán xử lý tín hiệu cộng tác chạy tại mỗi nút cảm biến;

• lựa chọn các thuật toán mạng đa bước và

• kết hợp tối ưu các yêu cầu của cảm biến với hiệu suất truyền thông

Đối với các mạng quân sự, các vấn đề bổ sung là:

• xác suất phát hiện và khai thác thấp;

• khả năng chống nhiễu, độ tin cậy của dữ liệu;

• độ trễ;

• khả năng tồn tại của hệ thống

Để thực hiện các nỗ lực thiết kế và tối ưu hóa, vấn đề nên được giải quyếtcàng nhiều càng tốt Điều này được thực hiện bằng cách xác định rõ ràng các giaodiện giữa các lớp khác nhau có chứa các quy trình cảm biến, mạng và truyền thôngkhác nhau

Hơn nữa, mạng cảm biến không dây phải được kết hợp với môi trường và(các) mục tiêu; có hai hoặc nhiều phương tiện truyền dẫn, một phương tiện truyền dẫn

vô tuyến và phương tiện truyền dẫn khác để truyền đầu vào cảm biến (âm thanh, địachấn, v.v.) Để giảm lượng điện năng tiêu thụ cho việc truyền sóng vô tuyến đườngdài, các nút cảm biến được tập hợp lại thành các cụm Khái niệm này đặc biệt hữu íchkhi phạm vi của các cảm biến tương đối ngắn