Luận văn Điều khiển tối Ưu cấu hình trong mạng vô tuyến ad hoc sensor

Mặc đù nghiên cứu và ứng dụng các mạng không dây truyền thống sử dụng hạ tầng mạng cổ định vẫn đang là xu hướng chính và tiếp tục phát triển, nhưng ngành công nghiệp thông tra cũng đã bắ

TRƯỜNG DẠI HỌC CÔNG NGIIỆ

Vũ Anh Hải

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CẤU HÌNH

TRONG MANG VO TUYEN AD HOC - SENSOR

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nặi - 2008

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Vũ Anh Hải

Điều khiển tối ưu cấu hình trong mạng vô tuyến Ad hoc - Sensor

Ngành: Công nghệ Điện tử — Viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Danh mục chữ viết tắt cenieeeiierirrierirrrirrrrrroreoof

212 Môhinhhai lia mặt dấi (wo-ray ground model)

2.13 Mô hình logarit— khoảng cách (lag-distanice path) 2Ú

2.1.4 Mô hình biển thiên rộng (large — scale)

và biển thiên hẹp (small ~ seale) « seo

2.4.1 Mô hình điểm đích ngẫu nhién (Random waypoint model) 29

2.4.2 Mô hình hướng ngẫu nhiên (Random dierection raodel - ItI3) 30

243 Chuyên động Brownian-like (Brownian-like motion) 31

2.44 Chuyéh déng theo ban di (map-based mobility)

2.45 Chuyển động theo nhóm (Group-based mobility)

32 Diêu khiến cấu hình và đưng lượng mạng,

33 Taxenomy điều khiển cấu hình

3.4 Điều khiển cấu hinh trong Protecol Stack

3.4.1 Điều khiển cấu hình và định tuyến

4.4.1 Tỉnh đổi xúng trong mạng một chiều

4.42 Tỉnh dối xứng trong mạng hai chiều

4.4.3 Các thuật toán xấp xi cho WSRA

"Tài liêu tham kháo

Chỉ mục

Broadcast Incremental Power

crilical transmitting range

Clear to Send

Dynamic Source Rouling, Delaunay Triangulation

Gabriel Graph

Global Positioning System

Medium Access Control

Network Allocation vector

Range Assignment

Random diereclion

Relalive Neighborhood Graph

Restricted Delaunay Triangulation

Request To Send

Random WayPoint

Symmetric Range Assignment

Wireless Sensor Network

Weakly Symmetric Range Assignment Yao Graph

Truyền thông đa chẳng

Mắt taxanomy về kỹ thuật điều khiến cấu hình Diều khiến cấu hình trong Protocol Siack

Cây tối thiểu T và ấn định khoảng Lương ứng,

Các yêu cầu khác nhau giữa bài toán WSRA và WRA

Một cải tiến (gadgeÙ trên cạnh a,b

Ví dụ bài toán cScRA € 0(n)

Giraph công suất cực đại và hệ số co giãn năng lượng

‘Vhuat toan xay dung Graph GABRIEL

Điều kiện một cạnh nằm trong graph

Thual loan Broadcast Incremental Powe

Bang 2-1: Giá trị của ø trang các môi trường khác nhau

Bảng 2-2 Múc tiếu hao công suất của card về tuyến IEEE 802.11

Bảng 2-3 Công suất tiêu hao của một nút cảm biết Rockwells WINS

Bang 4-1 Hệ số có giản khoảng cách của các graph xấp xi khác nhau

Mạng vê tuyển ad hoc — sensor là một cách tố chức mạng mới, đang được các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước chủ ý trong những năm gần đây De đặc thù, mạng đổi hỏi phải có tính lnh hoạt và hiệu quả sử đựng năng lượng của mạng cao Chính vì lí đo đó, bản luận văn này tập trưng vào nghiên cứu một số vấn đề về tối ưu cấu hình mạng, nhất là tối ru hiệu quá năng lượng _ luôn là chủ đề được nhiều người quan lâm đổi với mang ad học sensor

Bán luận văn được chía thành 4 chương

Chương 1 — Tổng quan về mang Ad hoc— Sensor: Giới thiệu khái quát về mạng ad hoc sensor, đưa ra những tiềm năng cia mang ad hoc sensor cing như những thách thức sẽ gặp phải

ử

Chương 2 — Mô hình mạng Ad hoc: Gidi thiêu các mô hình cơ bản sẽ dụng để xây dựng và giải quyết các bài toán điều khiển cấu hình, tối ưu năng lượng mạng ad hoc -sensor Gém cic mé hình: Các mô hình kênh võ tuyến, các mồ hình liêu thụ năng lượng, các mô hình di động,

Chương 3 — Điều khiển cấu hình: Giới thiêu một vấn đề liên quan đến điều khiển cấu hình mạng ad hoc ~ sensor như biến đổi năng lượng, dung lượng mạng,

Chương 4— Điều khiến tối uu cấu hình: Xây dung và giải quyết một số bài toán điều khiển tối ưu cấu hình, như tối ưu ấn định khoảng, tối ưu tính

đối xứng của mạng và tối ưu hiệu quá năng lượng.

TONG QUAN VE MANG AD HOC - SENSOR

Cang Ì giới thiệu ngắn gọm dễ mạng dồ tuyến ad hoc and sensor, mô là một số ng dụng khả ihi cha công nghệ này [rung bương lai gần Chương này cũng đề cập đêh những hách thúc đề mặt công nghệ cần được giải quyết trước khi loại mạng này tực

sự được triển khai tiên diện rộng

I.I Tương lai của truyền thông vỏ tuyển

Năng lực của hạ tông thông tin cùng với các thiết bị tính toán và thông

tin đi động liên tục được cái tiến đã thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của các

mưng vô tuyến đi đồng, đồng thời cũng là diều kiên cho sự bùng nổ của các

mạng cellular dựa trên sự kết hợp của cá hai công nghệ: vô tuyến và hữu

tuyến Theo thống kê đến cuối năm 2005, số lượng người sử dụng mạng

cellular lén dén 2 kỷ Mặc đù nghiên cứu và ứng dụng các mạng không dây truyền thống sử dụng hạ tầng mạng cổ định vẫn đang là xu hướng chính và tiếp tục phát triển, nhưng ngành công nghiệp thông tra cũng đã bắt đầu chuyển sang nghiên cứu về mạng võ tuyến di đông mà trong đó nhóm các thiết bị đi động liên kết với nhau mà không sử dụng hà Tầng mạng cổ định,

các mạng như vậy được gọi là mạng ad hec

I.I.I Mang ad hoc

Mang ad học là sự phát triển cao nhất cua théng lin v6 tuyén, trong

mạng này các núi (node) liên kết Irực liếp với nhau thông qua bộ thu phal

không dây (wireless Iransceiver) ma khéng sir dung hạ lãng mạng cố dịnh

Đây là một đặc nh riêng biệt của mạng ad học so với các mạng không dây

truyền thống như các mạng cellular và mạng WLAN, trong đó các nút (ví dụ như các thuê bao điên thoại đi động) giao tiếp với nhau thông qua các trạm thu phát cổ định

Mang ad hoc được mong đợi sẽ là một cuộc cách mạng về thông tín vô tuyển trong một vài năm tới, bổ sưng và hoàn thiện các mô hình mạng truyền thống (mang Internet, cellular, thông tin vệ nh) Mạng ađ hoc cũng

có thể được xem là công nghệ tương ứng với khái niệm điện toán khắp noi (ubiquitous cormputing) Với công nghệ mạng ad học, những thiết bị di động (như diện thoại di đông, PDAs, máy tính xách tay, ) và các thành phần của mạng cỡ định (như các trạm thu phát cổ định, các điểm truy cập Internet không đây, ) có thế kết nối với nhau, tạo thành mạng toàn cầu hoặc mạng

khắp noi (ubiquitous network)

Trong tương lai công nghệ mạng ad hoc có thể sẽ là lựa chọn rất hữu ích Ví đụ trong tình huống một trận động đất mạnh, phá hủy hầu hết các cơ

sở hạ tầng, trong đó có hạ tầng viễn thông (như các đường điện thoại, trạm thu phát cố định .) Nhiều đội cứu hộ ( như lính cứu hỏa, nhân viên y tế ) phối hợp với nhau, tham gia cứu trợ người bị nạn và khắc phục hậu quả Rð rằng là hoạt động hợp tác như thể chỉ đạt được thành quả khi các đội cứu hộ

có thể giao liểp, thông lin với nhau, cả với đồng nghiệp của mình và với thành viên của đội cứu hộ khác

Với những công nghệ hiện có, những nỗ lực của đội cúu hộ sẽ gặp rất nhiều

han ché khi những cơ sở hạ Tầng viễn thông cố định đã bị phá húy, các thành

viên của đội cứu hộ chí có thể liên lạc bằng bộ đàm cầm lay rong phạm vi họp Mật trong những tru tiên trong khắc phục hậu quả là thiết lập lại co so

hạ fầng viễn thông nhanh nhất có thể, bằng cách sửa chữa các thiết bị, kết

cẩu hư hỏng hay triến khai các thiết bị viễn thông tạm thời (ví dụ như xe thu phát di đông)

Chúng la có thể ứng dụng công nghệ mạng ad học để khắc phục tình trạng này bằng cách sử dụng các giao tiếp không dây phân tán giữa nhiều điểm truy cập khác nhau, các đội cứu hệ ở cách xa nhau cũng có thể liên lạc với nhau thông qua nhiều trạm chuyên tiếp chính là bàn thân các thiết bị trong mạng Khi đó liên lạc thông tin trong phạm vị thành phế hoặc rộng

hơn cĩ thể thực hiện được rà khơng cần thiết lập lại mạng viễn thơng cố

Tinh di động (mobflity): hầu hất các thiết bị trong mạng aÄ hac đều di động,

Tính phân lần (mlaliucly Aispersel nelsoorkJ: mạng ad học cĩ tính ứng dụng tốt nhất khi các nút phân tán đủ xa về mặt địa lý Miếu các nút quá gần nhau thì khi đĩ chỉ cần kết trực tiếp giữa các nút, khơng cần đến nút chuyển tiếp, do đĩ khơng phát huy được hết tính ưu việt của mang ad hoc

Các ứng đụng của mang ad hoc rit da dang và phong phú, sau đây là một số ứng đụng tiêu biểu:

Ung dung cho dich on truyén thơng Hến đường cao tốt tả dùng đơ thị (highways and urban area): théng tin về tình hình giao thơng được phát quảng bá tới các ơ tơ trang bi hé théng GPS (Global Posisioning System), thơng qua các trạm phát sĩng cố định khi xe ở trong phạm

vi của chúng, sau đĩ các õ tơ này sẽ chuyển tiếp thơng tín này tới các

xe xa hơn, Sơ với các dịch vụ truyền thống thì cơng nghệ này sẽ cung

cấp thơng lin nhanh hơn và rộng hơn

Truy nhập triemet ở khẩp nơi (Libiquitous Internet Access): trong tueng lai gần các điểm cơng cơng như sân bay, nhà ga, rung lâm thương mại sẽ đều được trang bị diểm truy nhập inlernet khơng dây, khi

đĩ thiết bị đi động của người đừng truy nhập imternet lại các điểm này sẽ trở thành cầu nối để mở rộng phạm vị truy nhập internet ra

tồn khu vực.

— Quang bd thing tin dia di8in (location-aware information): six dung tram

phát sóng cố định (như địch vụ quảng bá lĩnh hình giao thông), các thông tín địa điểm của địa phương có thể được phát tới những người quan tâm, ví đụ như thông về các sự kiện, điểm du lịch, nhà hàng,

cửa hiểu tại địa phương,

1.1.2 Mang cam biến không dây

Mang cam biến không dây (WSN - Wireless Sensor Nelrork) là một

trường hợp cụ thé cia mang ad hoc, các nút trong mạng là các cám biến

thông mình (smart! sensor), dé chinh la các thiết bị kích thước rất nhỏ, bao gồm các thành phần: cảm biến (nhiệt độ, áp suất, âm thanh ), bộ vi xử lý và

bộ thu phát sóng vô tuyến trong phạm vi nhỏ Các cảm biến này thu thập thông tin từ mỗi trường, tập hợp các thông tin này giúp cho việc giám sắt

được khu vực cần theo đối WSN được hy vọng là một bước đột phá trong

quan sát thé giới tự nhiên, giúp cho con người hiểu và dự báo tốt hơn các

hiện tượng tự nhiên

Để hiểu thêm về khả năng ứng dung của WSN, chúng ta sẽ xem xét chỉ

tiết ứng dụng mạng cám biến trong việc giám sát khu vực rộng lớn và 6 xa nhằm nhanh chóng phát hiện ra các sự kiện bất thường (ví dụ như cháy

rừng), Các thiết bị cám ứng thông minh với bộ nguồn, bộ xứ lý tín hiệu và

bộ liên lạc không dây sẽ dược bố lrí lại các diểm thích hợp (như dinh đồi

hoặc các điểm có tâm quan sát rông) Mỗi cảm biến sẽ chịu trách nhiềm quan

sát trên một diện tích nhất định và liên lạc với các cảm biến xung quanh Cảm biến thu thập đữ liệu về môi trường (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, tốc độ

và hướng gió), đựa trên đĩt liêu thu thập được bộ xử lý sẽ phân tích và nhận

dạng các hiện tượng cụ thể, Ngoài ra, mỗi cảm biến còn được trang bị một

camera hồng ngoại cho phép nhận biết được thay đổi nhiệt đồ Mỗi cảm

biến đều biết vi trí địa lý của mình, biểu diễn bởi kính độ và vĩ độ thông qua

thiết bị GPS hoặc vị trí đăng ký ban đầu khi lắp đặt (trong trường hợp cảm

tiến cố định vi tri) Theo dinh kỳ, các cảm biển trao đối dữ liệu với các nút

xung quanh để nhận biết các hiện tượng bất thường Khi phát hiện ra tỉnh trạng nguy hiểm (ví dụ là có cháy), một thủ tục cần thiết sẽ được kích hoạt:

cam bién ma phat hién ra tinh trạng bất thường sẽ liên lạc với các cảm biến

xung quanh để xác định xem các cảm biển này có phát hiện được trạng thái bất thường không, sau đó nó sẽ xác định vị trí địa lý của đám cháy, một cảnh báo cháy cùng với vị trí cháy sẽ được phát ra Bằng cách này, cảnh báo

sẽ được gửi đến người có trách nhiệm

Qua vi đụ trên, chúng ta có thể thấy ứng đụng WSN sẽ có những đặc

điểm sau:

— Tinh da dang: khAc với những úng đụng mạng ad học khác, ứng đựng

WSN thường bao gồm các nút có tính năng khá giống nhau, tập

trung vào bộ phận liên lạc Tuy có thể sử dụng một số nút đặc biệt

(bê nhớ lớn, phạm vi liên lạc rộng) để tăng cường khả năng giám sắt

cúa mạng, nhưng các thiết bị khác nhau trong WSN cũng chỉ giới hạn

trong 2-3 lớp

— Tính cỡ định (Statonarg or quasistaHơnarw nehoork): khác với ứng đụng

mang ad hoc thông thường, WSN thường là mạng cổ định hoặc các

phần tứ rất ít khi di chuyển Tất nhiên cũng có trường hợp ứng dụng

'WSN đặc biệt, chẳng hạn ứng dụng WSN để giám sát một số loài vật hoang dã, khi đó tính di động của các nút mạng là rất cao

— Tinh phan tén: day la dac diém chung cua mang ad hoc, WSN thường

bao gồm nhiều nút, phân tán trên một phạm ví lớn, do đó thường

không thể liên kết trực tiếp giữa các nút

— Quay mô lớn: số phần từ trong WSN thường khá lớn, từ vài nghìn đến

hàng chục nghìn núi

Một số ứng đụng chính cúa WSN gồm

— Gidm sắt nhiệt độ nuốc biển để đụ bdo thoi tiét (weather forecast): nhiét dd

của nước biển ảnh hưởng rất lớn đến điều kiện thời tiết, với số lượng,

cực lớn các thiết bị cảm biển được phân bố trên biển, các nhà khoa

học có thể theo déi kha chính xác nhiệt dệ của nước biển, lừ đỏ dưa

ra các dự báo thời tiết chính xác hơn

— Phát hiện bất thường (instrdion detection): giám sát, phat hiện các

trường hợp bất thưởng trên một khu vực nhất định là một trong những ứng dụng phổ biến và điển hình nhất của WSN.

—_ Dự đoân lô tuyết (avalanche prediction): bé cam biến với thiết bị GPS

được sử dụng để giám sát sự đi chuyển của các khối tuyết lớn, trên

cơ sở đó hệ thống có thể đưa ra các cảnh báo khi có nguy cơ lở tuyết

I.2 Những thách thức

Mặc dù công nghệ mạng ad học đã chín mưồi, nhưng các ứng đụng thì

còn nhiều vấn đề phải hoàn thiện Phần này sẽ trình bày về một số vấn đề

liên quan đến mạng ad hoc/cảm biển vẫn chưa được giải quyết triệt để và

các thách thức chính mà những nhà thiết kế mạng ađ hoc/cảm biển phải xử

ly

1.2.1 Mang ad hoc

Trong vài năm gần đây, mang ad hoc da thu hút được sự chú ý của các nhà nghiên cứu cũng như các nhà sản xuất công nghiệp Kết quả là đã hình thành một số chuẩn trong việc thiết kế và xây dụng mạng ad hoc Một số chuẩn phổ biến như IEEE 803.11 [19| và Bluetooth |9|đã được ứng dụng trong rất nhiều sản phẩm thương mại Tuy công nghệ mạng ad học phát triển khá mạnh, nhưng các ứng dụng mạng ad hoc vẫn chưa hoàn thiên do

rất nhiều vấn đề gap phải trong thực tế triển khai chưa dược giải quyết Sau

đây là một số thách thức chính:

—_ Nẵng lượng (Energy conservation): cdc phan ke wong mang ad hoc

thông thường đều hoạt động dựa Liên nguồn cung cấp bằng pin, do

đó sẽ có giới hạn nhất định về công suất và tuổi thọ

fi đổi (Inlrnclsred, [ime-

varying): cdc nút mạng có thể di chuyển tùy ý trong một phạm vi

nhất định, đo đó mạng thường là không có cấu trúc, ngoài ra đo tính

— Topology cia mang không có cấu lrúc tà

lưu động hoặc sự cố của nút mà topolosy của mạng biến đổi Việc tối tru mạng với những điều kiện trên là vấn đề võ cùng khó khăn

— Chất lượng Hân lạc thấp (low-quality conmmunication): mang không day

thường chất lượng thấp hon mang cổ định và bị ảnh hưởng nhiều bởi yếu tố môi trường và thay đổi theo thời gian

Rang bude dề tai nguyin (resource-constrained computation): so véi cc mạng thông thường, mang ad hoc cé bang théng và nguồn điên rất hạn chế, đo đó các giao thức của mạng ad hoc phải tối giản để tương ứng với nguồn tài nguyên hạn chế,

Khả năng trở rộng (Soalabilitg): một số ứng dụng mạng ad học sử dựng tới hằng nghìn nút mang, các giao thức cũng phải đảm bảo được khả năng mở rộng với số lượng nút lớn như thế,

Trong trưởng hop mang ad hoc sit dung như là mạng khắp nơi, cân phải

nhận được)

Xây dựng được một mô hành kinh doanh có tính khả thí (ƒeasiibe businsss model): kha nang thanh khoản giữa các mạng không dây hiện tại dựa

trên bán ghi dữ liệu từ các hệ thống quản lý tập trung [rong mạng,

khắp nơi, rõ ràng vẫn chưa rõ là hệ thống nào sẽ thực hiện tỉnh cước

và thanh khoản giữa các kiểu mạng khác nhau

tJều phối giữa các mút: khi xây đựng một giao thức mạng, chúng ta

thường mặc đinh là tất cá nút mạng dều tham gia vào thực thi cua giao thức tuy nhiên Irong mội số ứng dung mang ad hoc không đáp ứng được vấn đề này, Các nút mạng, bằng cách nào đó phải được

thực thị theo các Hêu chỉ giao thức

Mạng cảm biến không dây

Tương tự như mạng ad hoc, WSN cũng được quan tâm nghiên cứu và phát triển trong những năm gần đây Dầu tiên, cộng đồng các nhà nghiên

cứu đã thiết kế một số cảm biến thông minh, một số mẫu nổi tiếng như của

Berkeley Motes [31], [30] Sau đó thì hàng Toạt dự án đã được đầu tư để phát

triển các ứng dụng WSN Một trong những đự án nổi tiếng là Cirent ]Juck

Elan4, nghiên củu ứng đựng WSN đề tự động giám sắt môi trường sống, cla chim hai âu

Cảm biến thông mình cũng được các hãng sản xuất và thương mại hóa, đồng thời rất nhiều công ty cũng phái triển các ứng đụng riêng của mình dua trén nén ting cdc nit cam bién théng minh nhu: Intel, Philips, Siemen, STMicrolectronics

Các chuẩn giao thức cho WSN cũng được xây đụng và ứng đụng, chuẩn giao thúc được sử đựng nhiều nhất là IEEE 802.15.4 hiện vẫn đang được xây dựng Chuẩn này đang được một tổ chức công nghiệp có tên là ZigBee (với

them 100 thanh vi

tại 22 quốc gia) ủng hệ và lựa chọn Cũng như mạng ad

học, công nghệ WSN phát triển mạnh mẽ nhưng các ứng dụng đựa trên

chúng thì chưa dược dịnh nghĩa rõ ràng và đầy đú Thi trường ứng dụng tiêm năng của WS5N có thể kế đến là: nhà thông minh, xây dựng tự động, công nghiệp tự động và các ứng dụng tự động hóa Tuy nhiên việc ứng dung WSN vẫn còn nhiều vấn đề đặt ra cần phải giải quyết:

— Năng lượng (Lnergy conseroation): năng lượng là vấn đề mẫu chất của

WSN, cdc ting dụng WSN với kích thước núi rất nhỏ, do đó nguồn điện cũng bị hạn chế theo Xử lý vẫn đề nguồn năng lượng cho hoạt động của các nút trong WSN là khó nhất trong ứng dung WSN

— Chải lượng liên lạc thấp (low-quality conmmrumicatian): các phần từ của

WSN thường được sử đụng trong môi trường khắc nghiệt, khi đó chất lượng của liên lac vô tuyến cũng giám súi rất nhiều

—_ loạt động trong môi trường nguy liểm (hostile enviroment): rt nhieu

ứng đụng WSN yêu cầu nút cảm biển phải hoạt động trong môi trường nguy hiểm (thưởng không sử dụng con người đò mứn, phá bom, búc xạ cao, nhiệt độ cao ) đo đó các nút cảm biến phải có thiết

kế vật lý đặc biệt để chịu được tác động của mỗi trường,

— Rang bude v8 tÀI nguiên (resourco-conekmimal commpiaHion): so với các

mạng ad học thông thường, W8N còn hạn chế hơn rất nhiều về mặt tài nguyên đo kích cố của các nút cảm biển thường rất nhỏ

—_ X# Tý đữ liệp: với ràng buộc về tài nguyên và chất lượng liên lạc thấp,

đữ liệu thu được tại các nút cảm biển cần phải được nén ngay tại nút,

giảm được tài nguyên được sử đụng để truyền đữ liệu tới trung lâm

De đó, trung tâm sẽ được thiết kế để thu thập đữ liệu theo các múc khác nhau, cân bằng giữa các yếu tổ đữ liêu và tài nguyên sử đựng

—_ Khả năng mổ rộng (Sealabflity; tương tự như mang ad học, số lượng

nút trong WSN là rất lớn và các giao thức đảm bảo hoạt động hiệu

quả của số lượng lớn các nút

— Khô khăn trong oiệc thương mại hón ứng đụng: hiện nay, cảm biển thông,

minh đã trở thành sản phẩm thương mại, nhưng để thương mại hóa

i i

các ứng dựng đụa trên WSN thi van còn rất nhiều khó khẩn Việc bán

các ứng dụng đóng gói sẽ đem lại rất nhiều lợi nhuận, nhưng phần

lớn các ứng dụng WSN lại rất đặc thù với số lượng người mua hạn

chế, rất khó thương mại hóa

I.3 Kết luận

Qua phần tiên cho thấy trong tượng lại gần, ứng đụng của mạng ad học

— sensor có mặt hầu như trong khắp các lĩnh vực của cuộc sống, và đặc biệt hữu ích trong việc cung cấp thông tin hoặc cảnh báo, dự báo Tuy nhiên để triển khai rông rãi, vẫn còn nhiều khó khăn về mặt công nghệ cần được giải quyết như vấn đề tiêu hao năng lượng, chất lượng truyền thông tim, khả năng mở rộng Trong các chương tiếp theo, la sẽ di vào giải quyết bài loán tối ưu mạng nhằm giảm mức Liêu hao năng lượng của mạng ad hoc sensor

dién sw di chuyén cua node

2.1 Kénh vd tuyén

Céc mut trong mang vé tuyén ad hac va sensor giao tiếp với nhau thông

qua các bộ thu phát vô tuyến Do dé trong bat ky mét mé hinh mang ad hoc

nào, kênh vô luyến luôn là một khối căn bản rấiquan Irọng, Mô hình kênh vô

tuyến được trình bày ở dây dựa trên các lải liệu trong cuốn [33]

Một kênh vô tuyến giữa bồ phát ư và bộ thu 0 dược thiết lập nếu và chỉ nếu công suất cúa lin hiệu vô luyến nhân được lại nút ứ vượi qua môi ngưỡng nhất dịnh, gọi là ngưỡng độ nhạy (seneilioily lhreshold), Tức là sẽ tồn

lại một liên kết trực liếp giữa vàu nếu #, > Ø trong đó #, là công suất lin hiệu nhân được tại 0,và ổ là ngưỡng độ nhạy, Giá trị chính xác của ổ phụ

thuộc vào các đặc tính của bộ thu phát vô tuyến và tốc đệ truyền số liệu

(data rate): Với một sóng vô tuyến nhất định, tốc độ truyền số liệu càng cao,

giá trị# càng cao, hàm ý rằng công suất thu phái mạnh hưn Để đơn gián hóa các biểu thức, từ dây về sau ta quy ước ƒ‡ có giá trị là 1

Công suất thu B, phụ thuậc vào công suất phát P, của u và tấn thất đường

truyền (path loss), thể hiện suy giám tín hiệu võ tuyến gây ra bới khoảng cách

giữa máy thu va may phat Ky hiéu PL(u,v) là tổn thất đường lruyền giữa u

và,

"la có thể viết:

Pe

Điều này cho thấy rằng có thể biết trước những gì sẽ xảy ra đối với kênh

vô tuyến giữa hai nút mang bất kỳ nếu như biết được tổn thất đường truyền Các co chế truyền tín hiệu vô tuyến trong môi trường có thể phân chia thành ba nhóm: phẩm xạ (reflection), nhiéu xa (diffraction) va tdn xa (scattering) Phản xạ xảy ra khi sóng điện từ đập vào bề mặt vật thể có kích thước rất lớn

so với bước sông của tín hiệu Ví dụ „ sóng võ tuyến bị phan xa boi bé mat

trái dất và các tòa nhà, bức tường lớn Nhiễu xa gây ra bởi các vật thể có các

cạnh rất sắc nhọn nằm trên đường Iruyền giữa máy phải và máy thu lần xạ

xảy ra khi có nhiều vật thể nhỏ, sơ với bước sóng tín hiệu, nằm giữa máy phát và máy thu tín hiệu Thông thường, nguồn gây ra tán xa là cây cối, biến hiệu giao thông, v.v Như vậy ta thấy rằng sự truyền đẫn sóng vô tuyến là một hiện tượng cực kỳ phúc tạp va chiu anh hưởng rất lớn bởi các thông số của môi trường Phần tiếp theo sẽ trình bảy ngắn gọn một số mồ hình tổn

thất đường truyền được sứ dụng,

2.1.1 Mô hinh truyền dẫn trong không gian tự do

Mô hình này được sử dụng để đoán trước quá trình truyền dẫn tín hiệu

vô luyến khi đường truyền giữa máy phái và máy thu khéng cé val can Ky hiệu #„(đ) là công suất tín hiệu võ tuyển thu được tai nul cách máy phát khoảng cách là đ Ta có

G622

trong đó 0 là độ lợi anten phải, G, 1a dé Ii anten thu, £ là hệ số suy hao của

hệ thống không liên quan đến Lruyền dẫn, và 4 là độ dài bước sóng (đơn vị mét), Bỏ qua các đặc điểm riêng biệt của máy phát, ta có thể đơn giản hóa biểu thức (2.2) như sau:

P

trong đó Œ (ƒ nghĩa là không gian tự do - ƒree space) là một hằng số có giá

trị phụ thuộc vào đặc điểm của máy phát

Điểu thức (2.3) chơ thấy suy giảm của công suất (hu được Ú lệ với bình phương khoảng cách đ giữa máy phát và máy thu Kết hợp biểu thức (23) với ngưỡng độ nhạy, có thế phát biểu tín hiệu phát có thể thu được chính

truyền dẫn: đường truyền thẳng và đường truyền phán xa mặt đất (xem

trong đó h, là chiều cao ăn-ten phát và h„ là chiều cao ăn-ten thu Nếu

khoảng cách giữa máy phát và máy thu khá lớn (đ >> /ñ,h,), bỏ qua các đặc

tính của máy phát, ta có thể viết lại biểu thức (2.5) như sau:

Trong đó C, (t ky hiệu cho hai - tia mat dat — two — ray ground) la mot

hằng số phụ thuộc vào đặc điểm của máy phát Điểm khác biệt so với mô

hình không gian tự do là suy giảm tín hiệu vô tuyển trong trường hợp này tỉ

lệ thuận với cấp mũ 4 của khoảng cách, chứ không còn là bình phương của

khoảng cách

Kết hợp biểu thức (2.6) với ngưỡng đô nhạy sẽ tính được trong trường

hop nay vùng bao phủ sóng vô tuyến của một nút phát có công suất P, là

khu vục hình tròn tâm tại nút phát và có bán kính V?P:

2.1.3 Mê hình logarit — khoảng cách (log-distance

path)

Mô hình logarit khoảng cách là sự kết hợp của các phương pháp phân tích và kinh nghiêm Phương pháp kinh nghiêm dựa trên các đo đạc và điều chỉnh đường cong nghịch đảo của số liêu thực nghiệm.

Mô hình này có thể xem như là mô hình tổng quát của mô hình không gian tự do và mô hình hai lia mãi dất, chỉ ra rằng trung bình suy hao dường đối với khoảng cách xa l lệ với khoảng cách đ mũ ø, gọi là số mũi suy hao

dudng (path loss exponent) Biểu thắc như sau:

2.1.4 Mô hình biến thiên rộng (large — scale)

và biến thiên hẹp (small — scale}

Mô hình logari khoảng cách dự doán công suất thu trứng Đình tại một khoảng các nhất định Tuy nhiên cường độ tín hiệu thu được có thế sai khác tất nhiều so với giá trị trung bình Do đó mô hình xác suất được sử đụng đế tính toán sự biến thiên của kẽnh vô tuyến Trong mô hình truyền dẫn xác xuất, vùng phủ sóng vô tuyến không còn là hình tròn đo sự xuất hiện kênh

vô tuyển giữa hai nút là sự kiện ngẫu nhiên

Mô hình truyền đẫn xác suất có thể phân chía thành hai lớp:

—_ Mô hình biển thiên rộng (larạe soalz model): Là những mô hình dự

đoán sự biến thiên cường độ tín hiệu ở những khoảng cách lớn.

—_ Mô hình biếu thiên hep (small-scale models): Là những mô hình dự doán

sự biển thiên cường độ tín hiệu ở khoảng cách rất ngắn Chúng còn được gọi là các mô hình xuyên âm da đường (multipath fading) hay xuyén dm don gidn (simple fading)

Mô hình biến thiên rộng quan Irọng nhất là mô hình hiệu ứng màn chắn logaril chuẩn tắc (log-nomal shadowing model)„ trong đó suy hao đường ở

khoảng cách đ được mô hình hóa bằng một biến ngẫu nhiên tuân theo luật

phan phối logarit chuẩn có giá trị trưng tâm gần với giá tri trưng bình trong biểu thức (2.7) Mô hình xuyên âm quan trọng nhất là mô hình Rayleigh, mỗ hình hóa sư biển thiên cường đô tín hiệu ở khoảng cách hẹp bằng một biến

gấu nhiên tuân theo phân bố Rayleigh Mô tá chỉ tiết về các mô hình truyền

dẫn xác suất dược trình bày trong cuốn [33]

2.2 Graph thông tin

Graph thông lin dịnh nghĩa tô-põ mạng, đó là tập các liên kết vô Luyễn

mà các nút có thể sử dụng để trao dõi thông tin với nhau Biểu điển một hên kết giữa hai nút u và v trong mang phụ thuộc vào:

() khoảng cách tương đối giữa tứ và œ,

(i) công suất phát sử dụng để truyền số liệu,

(i1) môi trường xung quanh

'Tính toán biến thiên rộng và hẹp của tín hiểu vô tuyến thực sự phức tap

và việc thể hiện mô hình liên kết bị ràng buộc chặt chẽ với mỗi ứng dung, nhất dịnh Do đó trong lài liệu này kênh vô tuyển sẽ dược mô hình hóa bằng,

mô hình logaril khoảng cách, trong đỏ nhiều đặc tính của mội trưởng được tri tượng hóa

Cøi W là tập các núi vô tuyến, với |W| =n Các núi này nằm trong khu

vực được bao bởi miền R Để đơn giản, giả sử # là hình khối đ-chiều (d = 1,2,3) Với bất kỳ w € ÁN, vị trí của ư trong # ký hiệu là b() là một tọa

dé d-chigu Ham L:N 4 R anh xa moi nit mang sang vi trí vật lý nằm trong

R Đối với nút di động, vị trí vật lý của nó sẽ phụ thuộc vào thời gian Nếu

nút đi chuyển trong R, sự di động có thể biểu diễn nhờ thêm tham số thời

gian £ vào hàm 1 Tóm lại hàm L:W x7 R sẽ gán cho mọi phần tử của W

và tại mọi thời điểm t € 7 một tập các tọa đô d-chiều, biểu diễn vi trí vât lý

của nút ở thời điểm £ Do vậy một mang ad-hoc d-chiều được biểu diễn bởi

biểu thức Mạ = (N,U), trong đó W và L đã được định nghĩa ở trên

Cho mồt mạng Mạ =(N,L), một ấn định khoảng (ranse assignement) cho

Mạ là một hàm RA thực hiện ấn định cho mỗi nút ứ € N một giá trị RA(u) €

(0;„a„] biểu diễn khoảng phát (transmilting range) của w Tham số rrmạx gọi là khoảng phát cục dai (maximum transmitting range) va phu thudc va cac dac tinh

của thiết bị phát sóng vô tuyến tại các nút Giả thiết là tất cả các nút đều có

bộ phát vô tuyến có các tính năng giống nhau, do đó z„„„ sẽ như nhau ở mọi nút Trong trường hợp các bộ phát vô tuyến khác chủng loại, thì sẽ lay trax

bằng giá trí lớn nhất trong toàn mạng, nên giả thiết trên vẫn đúng

Khoảng phát của nút ứ biểu thị một khoảng trong đó số liêu phát đi bởi

1 có thể thu được chính xác Cho khoảng r là một phân vùng của R mà trong

pham ví đó có khả năng thu được số liệu chính xác.r phu thuộc vào số

chiều của mạng: mạng 1 chiều, đó là đoạn có đô dài 2r tâm tại u; mang 2

chiều, đó là hình tròn bán kính r tâm tại u; mạng 3 chiều thì đó là hình cầu bán kính r tâm tại ứ (xem Hình 2-2)

Hinh2-2, Vùng phú sóng vô tuyến trong mạng: 1-chiều (a), 2-chiều

(b), và 3-chiều (c) Vùng phủ có bán kính r va tam tai nút

Với giả thiết sự truyền dẫn sóng vô tuyến theo mô hình khoảng cách

logarit, ứng với mỗi khoảng phát bất kỳ r € (0z„ax] sẽ tồn tại duy nhất một

giá trí công suất phát P, € (0,B„„„] trong đó B„„„ là mức công suất phát lớn

nhất của các nút.

Cho một mạng Mạ = (N,L) và một ấn dinh khoảng RA, graph thông (in (communicalion qraph) dược bao hàm bởi RA trên mạng Mạ lại thời điểm E được định nghĩa là graph có hướng Œ, = (W,E()), trong đó cạnh có hướng

[u,v] tồn tại nếu và chỉ nếu RA(u) > 6(L(u,t),£(e, 0), voi (Lu, 0), £(v,£))

là khoảng cách Ckclit (Euclidean) giữa tt và ø tại thời điểm t Nói cách khác, liên kết vô tuyến có hướng (œ,ø) tồn tại nếu và chỉ nếu khoảng cách các nút

1 và gần bằng RA(®) tại thời điểm ( Khi đó nói # là một lân cận cấp 1 (1- hop neighbor), hoặc lân cận (neishbar) của mút u Một liên kết vô tuyển được gọi là hai hướng (bidirecHonal), hoặc đổi xứng (symznetrE), tại thời diểm t nếu

(u,ø) € EŒ) và (œ,u) € E(t) rong wuong hợp đó, ứ và ứ dược gọi là nhiing

lân

in doi xing (symmetric neighbors)

Ấn định khoảng công suat ewe dai (maxpower range assignment) la RA(w) =

Tmax Cho moi nul , lức là mọi nút Irong mạng đều phái ở công suất cực đại

Graph théng tin thu dugc được gọi la graph công suấi cực đại (maxporoer 2mph), biểu diễn tập tấI cả liên kết thông tin có thể giữa các núi trong mạng

Nói ấn định khoảng RA là đang kết nổi tại thời điểm t (conneclins ai lime £),

hoặc đang kếi nổi (connecting) n€u graph hông tín thu được lại thời diểm t đã

kết nối bền, tức là nếu với bãi kỳ cặp núi và 0, lồn lai íL nhất một đường,

trực tiếp từ w đến # Một ấn định khoảng HA trongđó tất cả các nút có cùng

khoảng phát7, với 0 < r < ?„„„, được gọi là đồng nhất 7 (r-homogeneous) Khi

không cần quan tâm đến giá trị chính xác của r, ấn định khoảng đồng nhất-

+ sẽ được gọi đơn gián là đồng nhất (homogeneous) Graph thông tin sinh ra

từ ấn định khoáng đồng nhất có thể được coi như vô hướng bởi (u,ø) €

E(t) @ (v,u) € E(t)

Nếu mạng đi đông, ấn định khoảng RA có thể thay đổi theo thời gian để

giữ nguyên một tính chất nhất dịnh của graph thông tin, như tính kết nổi

‘Lhéng thường, có thể định nghĩa môi chuỗi các ấn dinh khoảng RÁ,„, RÁ,, trong khoáng thời gian mạng hoạt động, với RA, là ấn định khoáng tại

thời dim tj, và việc chuyên đối giữa các ấn định khoảng được xác định bởi

một giao thức thích hẹp

Nếu mạng tĩnh, không di chuyển (tức là vị trí của mọi nút không thay

đối trong suốt thời gian hoạt động của mạng), mồ hình tiên có thể đơn giản

hea bing cach coil la hàm chỉ có tham biến N Tuy nhiên, trên lý thuyết, nhiều ấn định khoảng khác nhau có thể được sử dụng trong thời gian mạng,

hoạt động Ấn định khoảng có thể thay đổi, thí dụ để để hỗ trợ cho các loại lưu lượng khác nhau, hoặc để cân đối năng lượng tiêu thụ giữa các nút mang Do vay thông thường graph thêng tin phụ thuộc vào thời gian ngay

cả trong trường hợp mạng tĩnh

2.3 Mô hình tiêu thụ năng lượng

Một trong những quan ngại chính của việc thiết kế mạng ad hoc-sensor

là hiệu quả sử đụng của năng lượng, Ldo đó việc xây dựng chính xác mô hình liều thụ năng lượng của nút là một vấn đề cơ bán, Các Lính chất của nút mạng ad hoc va mạng sensơr thực sự khác nhau nhiều nên mô hình năng

lượng của hai mạng này sẽ được trình bày riêng,

2.3.1 Mang Ad hoc

Mạng ad học cá thế được được tạo thành từ các nút thuộc nhiều loại khác nhau như máy tính cầm tay, điện lhoại di động, máy tính bỏ túi, các thiết bị thông minh, Mang ađ học cũng có thế được tạo thành từ các thiết

bị hỗn tạp (mang ubiquitous) Dựa vào tính đa dạng này, cách tiếp cận thông thường là chí tập trung sự chủ ý vào mức tiêu thụ năng lượng của các

bộ thụ phải vô tuyến Và trên thực tế, vấn đề chính là điều khiển lô pô sao cho giảm thiểu năng lương dùng vào việc trao đổi thông lin

‘Tay thuộc vào chúng loại thiết bị, lượng năng lượng tiêu thụ bởi bộ thu phát chiếm tử 15% (laptop với card không dây IEEE 802.11) đến 35% (PÙAs) tổng năng lượng tiêu hao của nút Do phần năng lượng Liêu thụ bởi card không dây chiếm phần đáng kể trong tổng năng lượng tiêu hao của nút nên tối ưu năng lượng sử dụng để trao đổi thông từn là một vấn đề quan trọng Thường thì một card không dây IEEE 802.11 hoạt động ở 4 chế dộ:

— idle: Pn vé tuyén (radio) bat nhumg không được sứ dụng,

— Transmit: Phần vô tuyến đang truyền phát số liệu

— Receive: Phan vé tuyén đang nhân số liêu

— Sleep: Phan vo tuyén tat

Bang 2-2 cho thay céng suat tiéu thu ctia card Cisco Aironet IEEE 802.11 a/b/g Trong bảng cũng có khoảng phát danh định khi card hoạt đông ở mức công suất toàn phần (full power) Như trong đó cho thấy, khoảng phát danh

định phu thuộc vào các tham số môi trường (điều kiện trong nhà, ngoài nha)

và tốc độ truyền số liêu

Bang 2-2 Mức tiêu hao công suất danh định và khoảng phát của card

vô tuyến CISCO IEEE 802.11 a/b/g Trong bang, gid tri arc tiểu của khoảng danh định ứng với tốc độ truyền số liêu cực đại (54 Mbps) và giá trị cực đại ứng với tốc đô truyền số liêu

Số liệu trong bảng là số liệu danh định, trên thực tế mức tiêu thụ năng

lượng của card có thể khác biệt đáng kể: Các đo đạc trong phòng thí nghiệm

cho thấy một điểm quan trọng đó là mọi sự chuyển trạng thái vô tuyến đều

phải chỉ phí một lượng năng lượng không nhỏ, đặc biết là khi chuyển từ

trang thai sleep (tat) sang trang thai idle (bat),

Mức tiêu thu năng lượng của nút được mô hình hóa ở dạng tỉ lê công

suat sleep: idle: rx: tx Tire la chi can quan tâm đến giá trị tương đối của mức

tiêu thu năng lương chứ không cần biết gia tri thưc Để mô hình đơn giản hon, ta quy ước mức tiêu thu công suất phần vô tuyến là 1 khi phần vô tuyến

ở trang thái idle, là 1.x khi phần vô tuyến nhân số liệu, là 1.y khi phần vô

tuyến truyền phát số liêu hoạt động ở múc công suất toàn phần, và là 0.Z

khi ở Wang thai sleep Cac gid trị thực sự của #,y,Z tùy thuộc vào từng thiết

vị,

Lưu ý rằng tí lê 1.y sử dụng trong mô hình tiên chính là mức tiêu thụ năng lượng lương dối của phần vô tuyến khi card Iruyền phải số liệu ở mức công suất cực đại Nói cách khác la sẽ thấy diều khiển cấu hình chính là dựa vào khả năng của nút vô luyến để điều chỉnh động khoảng phải của thiết bị Dặc tính này thực sự có ở một số card IEEE 802.11 như các sản phẩm của Cisco ching han Vi du card Cisco Aironet IEEE 802.11 a/b/g có thể điều chỉnh công suất phát trong khoảng từ 1mW đến 100mW, Tuy nhiên đây chỉ

là phần năng lượng tiêu thụ bởi bộ khuyếch đại võ tuyến, một phần của toàn

bộ năng lương tiêu thụ bởi card, Thục tế là card tiêu thụ năng lượng đáng kể thì công suất của các hệ mạch tương tự và số sẽ tăng lên,

Vấn đề làm thế nào để mồ hình hóa mức tiêu thụ năng lương khi phần

vô tuyển không phát tín hiệu ở ruức công suất cực đại chưa có câu trá lời rõ ràng

2.3.2 Mạng sensor

1

don gian va sắt với thục tế có để dàng hơn Lrường hợp mạng ad học Thực tế

ng trường hợp mạng sensor, việc dưa ra một mô hình năng lượng

mang sensor thường được cấu thành Lừ các thiết bị đồng nhất và đơn giản Lien nữa, thuộc tính của phần lớn loại nút cảm ứng đã được biết đến nên đã

có nhiều báo cáo đo đạc múc tiêu thụ năng lượng của các cảm biết không đây trong phòng thí nghiệm [32] Bảng 2-3 cho biết công suất tiêu hao của một nút cảm biết Rockwells WINS [24] Nút được cấu thành từ 3 thành

phần chỉnh: bộ phận vi điều điều khiển (microcontroller unit — MCU), b6

phân cảm biến (sensor), và bộ phân vô tuyến (wireless radio), Nếu chỉ xét mức Liêu thụ năng lượng của bộ phận vô tuyển, la có Ú lệ sleepzidlerx(x là 009:1:1.072.02 Lựu ý rằng Ú lệ này lương tự nhự Hường hợp của card không dây 802.11, ngoại trừ công suất tiêu thụ cao hơn khi phần võ tuyến phát tín hiệu ở mức công suất cực đại Khi công suất phát ở mức tối thiểu (0.12 mW), ti ld idlete ở bộ cảm biến WINS là 1.12 Như vậy công suất tiêu thụ tăng gần hai lần khi thay đổi công suất phát từ tối thiểu lên tối đa Điều

này có nghĩa là thay đổi mức công suất tiêu thụ sẽ gây ra ảnh hưởng đáng

kể đối với mức năng lương tiêu thu của nút

Bảng 2-3 Công suất tiêu hao của một nút cảm biết Rockwell's WINS

Khả năng đi chuyển của các nút mang là tính năng nổi bật va quan trong

của các mạng ad hoc và trong một sổ trường hợp bao gồm cả các mạng

'WSN Do đó việc nghiên cứu về khả năng hoạt động của các giao thức mạng

ad hoc/sensor trong thế giới di động là một giai đoạn quan trọng của chu trình thiết kế Vì các triển khai của các mang ad hoc/sensor rất ít thấy, các

đối tượng chuyển động trong thế giới thực rất khó nắm bắt và ghi nhân nền

cách tiếp cân thông thường là sử dụng các mô hình di động nhân tao/gia thực để mô phỏng và nghiên cứu

Mô hình đi đồng cho các mạng ad hoc/sensor nên có những đặc tả như

sau:

— Các chuyển động thể giới thực tương đồng (resemble real-life

movements): dua ra nhiing kha nang six dung rong rai cac ting dung của mang ad hoc/sensor, sur di chuyén cia cdc déi twong (patterns) 1a rất đa dang: di chuyển của sinh viên trên các phương tiên giao thông trên đường, sự di chuyển của nhóm du khách ở vùng ngoại ô, sự di chuyển của các nhóm cứu hộ ở những vùng thảm họa và từ các sensor ở các đòng chảy ở đại đương cho đến sự di chuyển của đông

vật trong các ứng dung WSN theo dõi sự di chuyển của đông vật

Đưa ra một mô hình duy nhất tương đồng với tất cá các loại hình di dộng là diều không thể Tuy nhiên, môt mô hình di động nên dặc tả

ít nhất một kịch bản ứng dụng

— Đơn giản cho mô phóng và phân tích: Vì các mồ hình di déng duoc

sử dụng dể mồ phỏng các mạng ad học, mô hình nên dơn giản để có

thể tích hợp với các bộ/công cụ mô phỏng (simulalor) để các ứng dựng mô phỏng có thể chạy trong thời gian thích hợp Liơn nữa, sử dựng các mồ hình di động đơn giản làm dễ đàng hơn công việc đưa

ra các kết quả phân tích có ý nghĩa khi sử dụng các tham số mạng co bản trong thể giới đi động Thêm nữa, những kết quả có thể được sử

dung để tối ưu hoạt đồng của các giao thức mạng ad hoc/sensor

Rõ ràng hai mục đích trên mầu thuẫn với nhau: mô hình càng thục tế thì càng phải chỉ tiết các tham số và mức độ phức tạp của mỗ hình sẽ tăng theo

Cho nên một mồ hình di động nên là sự hài hòa giữ tính đặc tả và tỉnh đơn

gián Nó nên dặt sư quan tâm vào các đặc diém quan trong nhất của một

loại đổi tượng chuyển động cụ thể và ít quan tâm đến các chỉ tiết íL quan

hướng đến các điểm đích theo mội đường thẳng vân lốc của nút là ngẫu

nhiên trong khoảng [Vru, vua], Vrun và vua: là vận tốc tối thiểu và vận tốc cực đại của nút Khi nút đến được địch, nó đứng yên trong một khoảng thời gian

được định trước rồi tiếp tục đi chuyển theo cùng một đối tượng

Mé hinh RWP cé tính miêu lá một chuyển động của một đổi tượng, trong ngữ cảnh đơn giản: mỗi nút di chuyển độc lập với các núi khác và nó

có khả năng di chuyển vào bất kỳ một vùng con R, Ví đụ: mội loại di chuyển giống nhau có thể phát sinh khi người sử dụng đi và một phòng rộng, ngoài

trời hoặc trong một môi trường phẳng

Vì lính phổ dụng của nó, di chuyển RWPF đã được nghiên cứu kỹ trong học thuật Trong trường hợp riêng, sự phân bố không gian lâu dài của các mang di động RWP là tập trung vào trưng tâm của các vùng triển khai (hiệu

ứng biên) [5] [6] [8], và tốc độ trung bình của nút được định nghĩa như là

trung bình của vận tốc các nút tại một thời điểm, giảm đần theo thời gian

[41] Những quan sat nay mang đến su quan tim cua cộng đồng vào thực tế rằng các mạng di động RWE phải dược mô phóng cẩn thân Trong trường hợp riêng hoại dộng của mạng nên dược dánh giá sau một khoảng khởi

động, khoảng khởi động phải dủ dài để mang dạt đến không gian nút và

trưng bình vận tốc nút phân bố ổn dịnh

Mô hình RWP cũng dướng khái quải hóa theo hướng thực tế hơn chơ dù

nó vẫn là những mô hình đơn giản Ví dụ, theo [6] mô hình RWP dược mở

rộng bằng cách cho phép các nút được chọn thời gian dừng theo phân phối xác xuất ngẫu nhiên Ngoài ra, một phần ngẫu nhiên của các nút mạng đứng,

yên trong toàn bộ quá trình mô phỏng

2.4.2 Mô hình hưởng ngẫu nhiên (Random

dierection model - RD)

'Tương tự như mô hình RWP, R2 tương đồng các phần lử mạng coi các chuyển động là không can Ud (obstacle free) Mô hình này được tao ra dé duy trì sự sự phân bỡ không gian các nút một cách đồng bộ trong suối quá trình mồ phỏng đo đó bỏ qua hiệu ứng biên như trong m6 hinh RWP

Trong mô hình này [35], mỗi núi chọn một đích ngẫu nhiên trong,

khoảng thời gian [0, 2m] và vận tộc ngẫu nhiên trong khoang [vaun, vines) Di chuyển trong một hướng chọn trước với vận tốc cho trước Khi nút chạm vào biên của miễn R, nó sẽ chọn một hướng mới và vận tốc mới và cứ thé

tiếp tục.

Những biến dổi cúa mô hình cũng dược trình bày Ở biến đổi đầu tiên [17] [29], một nút dược bật lại (bounced back) khi nó chạm vào biên của vùng triển khai Trong một biển đổi khác [4], nút di chuyển theo thời gian

ngẫu nhiên, rồi đổi hướng và đổi vận tốc di chuyển

2.4.3 Chuyển động Brownian-like (Brownian-like

motion)

Ngược với trường hợp của RWP và RD, lớp những mô hình chuyển động Brownian-like tuong déng nhiing chuyển động không cổ ý (nonintentonal motion), Bởi lý do này những mô hình này đôi khi được gọi

là những mô hình kiểu người say (drenkardlike)

Trong chuyển động Brownian-like vị trí của một mút tại một thời điếp phụ thuộc vào vị trí nút ở bước trước Cụ thể là không có việc mô hình rõ ràng của các hướng di chuyển và vận tốc được sử dụng,

Mật ví dụ của chuyển đông Brownian-like là mé hình được sử đụng ở

[36] Sự di đồng được mô hình đựa vào ba tham sé psa, preve va m Tham số

đầu đại diện cho xác xuất một nút đứng yên trong suốt quá Irình mô phỏng Tham số pasv: là xác xuất một nút di chuyển tại một thời điểm Tham số m

mồ hình, mở rộng vận tốc: nếu một nút đang đi chuyến tại bước i, vi tri của

nó tại bước itl được chọn ngẫu nhiên trơng vùng vuông 2m có trunz tâm tại

Bước dầu tiên trong định nghĩa về các mô hình map-based là thiết lập bản đồ Đó là dịnh ra các con dường trong dé cde nodes dược phép chuyển động Sau đó, một vài nodos được định vị một cách ngẫu nhiên trên các con đường và chúng bất đầu chuyển động theo các quy luật cụ thể của kịch bản, Một trường hợp của mô hình map-bascd là mô hình chuyển động Freeway (đường cao (dc) [2], được sử dụng bất chước theo sự chuyển động của các ôtô tiên đường cao tốc, Trong mô hình này, một vài đường cao tốc được đặt vào vùng triển khai Mỗi con đường cao tốc cấu thành bởi một số

các lần đường ở cả hai hướng, Các nodes được đặt ngẫu lượng thay đổi

nhiên tên đường cao tốc, và chúng chuyển đồng với vận tốc ngẫu nhiên,

vận tốc này phụ thuộc vào vận tốc trước đấy của chúng Nếu hai nodes trên

cùng một làn dường giữ một khoáng cách tối thiểu nào đó (khoảng cách an

toàn), vận tốc của node sau không thể vượt quá vận tốc của node ớ trước

Một trường hợp khác của mô hình map-based 14 mé hình chuyển động

AanhaHam |2], dược sử dụng để thi đua các kích bán chuyển đông trong thành phố Đầu liên, lao ra bán đồ kiểu ManhaLlan bao gồm các con dường,

ngang và dọc Các nodos có thể chuyển động dọc theo các con dường ở cả 2

hướng, Khi một node đi đến tại điểm giao nhau, nó sẽ ngẫu nhiên chọn hoặc

là Hếp tục đi thắng hoặc rẽ trải hoặc rẽ phải Giống như mô hình Freeway,

vận tốc của một nođe tại một thời điểm phụ thuộc vào vận tốc trước đó của

nó

Trường hợp thứ ba về mê hình map-based là mô hình chuyển động

Obstacle (chướng ngại vật) được giới thiệu trong [20] Trong mồ hình này, đầu tiên bản đồ được tạo ra bằng cách đặt thêm các chướng ngại vật (các toà

nhà) vào trong môi trường Việc đặt các chướng ngại vật có thể hoặc ngẫu

nhiên hoặc dựa theo bán đồ thực tế Một khi các toà nhà dược triển khai

xong, một số lượng các con dường nối giữa các toà nhà khác nhau dược lao

ra và các nodcs được giả dịnh địch chuyển đọc theo những con dường này,

Mật đặc tình thú vị của mô hình này là các chưởng ngại vật được xem chống như trong trưởng hop iruyén tin hiéu radio trong môi trường, hay có thế

xem rằng các tỉnh hiệu vô tuyến bị chặn lại bởi các chướng ngại vật

2.4.5 Chuyến động theo nhóm (Group-based

mobility)

Tất cả các mô hình dược mô tả ở trước lương dương với chuyển động cá thể, Tuy nhiên trong nhiều lình huống, các nodcs chuyển động thco các nhóm (ví dụ, các nhóm khách du lịch chuyển động trong thành phổ) Chuyển động group-based được trình bày để mô hình hoá các trường hep

này

Hình2-3 (4) Các ví dụ của RWP và (bì chuyển động hướng ngẫu

nhiên 1rong trường hợp chuyển đông RWI, các nodes có xu hướng giao nhau tại tâm của vùng hoại đồng (hiệu ứng biên)

Trong các mô hình group-based, một tập nhỏ của các nodes mạng được định nghĩa là một tập các trưởng nhóm (grøzp leadere) Các nodes còn lại được ngẫu nhiên phân vào một trong các trưởng nhóm, đo vậy nó tạo thành các nhóm Khởi đầu, các trưởng nhóm được phân phối một vùng hoạt đông

R và các thành viên của mỗi nhóm ngẫu nhiên được đặt cạnh trường nhóm

Sau đấy, rưởng nhóm chuyển động theo một trong các mô hình đề cập ở trước, như RWP hoặc hướng ngẫu nhiên Các thành viên khác của nhóm sẽ chuyến động theo trưởng nhóm Khi hai nhóm gặp nhau, mọi thành viên nhóm có thế rời nhóm vào gia nhập vào nhóm khác theo một xác suất nhất

định Mô hình group-based đã được sử dựng trong [18] [39]

Các ví dụ về RWP và chuyển động hướng ngẫu nhiên dược thể hiện ở Hình 2-3, Ví dụ về mô hình map-based dược miêu lả trong Hình 2-4

2.5 Asymptotic Notation (Ky hiệu tiệm cận)

Chứng ta nhắc lại các ký hiệu chuẩn liên quan dến các hàm tiệm cận

Cho ƒ và g là các hàm số với biến số x Chủng ta sẽ quan tâm đến việc mê

tả hành vị tiệm cần của † và g khi + -> m

Dịnh nghĩa 2.5-1: Ta nói rằng fx) là có cùng bậc lớn nhất với g(x}, ky hiệu là ƒ(x) € 0(g()), nếu tồn tại các hằng số c và x› sao cho: với mại x» x0

va f(x) %cgGQ Tà nói ting fix) có cùng bậc ít nhất với gx), ký hiệu là fŒ) € 0(g(x)), nến g() E 0(ƒ(3)) Ta nói rang f(x) và g(x) co cing bac,

nghia la f(x) € O(g(x)), néu F(x) € O(g(x)) va g(x) 6 0(ƒ(@)) Đôi khi la cũng sử dụng ký hiệu f(x) = g(x) dé chi ring {(«) va g(x) 66 cing bac

Dinh nghia 25-2: là nói rằng f(x) 1 tiém cAn nhỏ hơn g(x), ký hiệu là

fey

fog) « góc nếu lim, So = 0 Ta ndi ring f(x) là tiêm cận lớn hon g(x), ký

hiệu là fx) » gtx), nếu g(x) « f(x)

Trước khi giải quyết bài toán điều khiên tối ưu cấu hình, chúng ta cần phải đưa ra được mô hình phù hợp đế mô hình hóa mạng ađ hoc - sensor Một mạng ad hoc — sensor phức tạp như mạng vô tuyến đa chăng sẽ cần phải được phân rã thành các mô hình nhỏ hơn, đơn giản để đễ đàng cho việc

mô hình hóa Để làm việc đó chương này đã giới thiệu những mô hình phù

hợp nhất để giái quyết bài toán tối ưu cấu hình mạng Các mô hình gồm:

một mô hình kênh vô tuyến đơn, một mô hình mồ tả toàn bộ các kênh vô

tuyến trong mạng, một mê hình tiều thụ năng lượng nút mạng, và một mô

hình biếu diễn sự đi chuyển của các nođe Sang các chương tiếp theo, các mô

hình trên đây sẽ được sử đụng trong các bài toán về điều khiến cẩu hình

mạng.

Chương 3 ĐIỀU KHIẾN CẤU HÌNH

Mô đều Chương 3 trình bàu một số ö{ dụ dt hiệu qua thu diye tie vide sử đựng các kỹ thuật điều khiểu cấu lình trong mang ad hoc sensor, Phần liếp theo của chương ủua ra định nghĩa bàn đầu không chính thúc uề điều khiển cẩu hành nà làm rõ điều khiển cẩu hình là gì, cái gì thì không phải là điều khiển cấu lành San khi thảo luận tề nguyện tắc phâm loại các phuơng pháp tiếp cận bài toán diều khiêu câu lành, phần kết thúc chương sẽ thảo luận dể

cách thúc tích hợp cơ chỗ diều khiến cấu hình vo protocol stack

3.I Điều khiển cấu hình và biến đổi năng lượng

Như đã tóm tắt ờ chương Chương 1, việc sử dụng hiệu qua các nguồn

năng lượng quý hiểm sẵn có cho các nút mạng ad hoc và sensor là một trong những nhiệm vụ cơ bản của người thiết kế mạng, Bởi lẽ các nút tiêu thu một lượng năng lượng đáng kế để phát/ nhận các thông điệp (điều này thật sự đúng trong trường hợp của mạng sensor), nên viếc giảm năng lượng tiêu thụ của truyền sóng vô tuyến là một vấn đề quan trọng

Giả sử nút w phải truyền đữ liệu đến nút ø ở một khoảng cách đ (xem

Hình 3-1) Nút ø nằm trong khoảng phát của nút ở công suất cực đại vì thể

có thể có sự truyén sóng vô tuyến trực tiếp giữa nút ¡ và nút ø Tuy nhiên cũng tồn tại một nút sơ thuộc vững C ngoại tiếp đường tròn đường kính á cắt

cá # và ø (xem Hình 3-1) Do Huw) dy< d va ozø) — đạ< ẩ, nên việc sứ

dụng nút ø dể chuyển tiếp dữ liệu cũng có thể thực hiện dược Vậy phương

án nào trong hai phương án liên thuận liện hơn trong quan điểm giảm mức

tiêu thụ năng lượng,

Để trá lời câu hói này, la phải cần cử vào các kênh không dây cụ thể và các mô hình tiêu thụ năng lượng Để đơn giản hơn, giả thuyết sóng võ Luyễn

lan tuyền theo mô hình không gian lự do và chúng la chỉ quan âm đến việc giảm thiểu công suất phát sóng mà thôi Với những giả thuyết này, công suất cần đừng để truyền thông tin trực tiếp từ nút ø đến nút ø tỉ lệ với đ?;

trong trường họp thông tin được chuyển tiếp tử nút rø, tổng mức tiêu thụ

năng lượng sẽ tương ứng để I đệ

Xem xét tam giác wwe, va lay y làm góc đối điện cạnh zø, theo hình học

sơ cấp, tà có:

d? = di+ d3 - 2d,d,cosy 4)

Vi weC ham ý rằng cos <0, ta có đ? > d?- d3 Theo đấy, từ quan điểm

tiêu thụ năng lượng, sẽ tất hơn nếu đùng nhiều các chặng ngắn giữa máy

phát và máy thu

Iĩnh3-1 Trường hợp truyền thông đa chẳng: nút w phải truyền thông

tin dén mit ở ö một khoảng cách ¿; sử dụng mút trụng giam so

để chuyển tiếp thông tín từ nút ¡u được 1ra thích hơn trang

quan điểm Liêu Lhụ nảng lượng,

Quan sắt trên tạo ra sự tranh luận đầu tiên về điều khiển cấu hình: thay

vì đừng biên độ năng lượng đài, không hiệu quả, thông tin liên lạc có thế

diễn ra theo các đường chuyền đa chăng được tạo thành tử các biên độ ngắn

nổi hai điểm cuối của một biên độ đài Mục dích của điều khiển cấu hình là xác dịnh và loại bỏ các biên độ năng lượng dài, không hiệu qua lừ graph thông lin

3.2 Điều khiển cấu hình và dung lượng mạng

Trái ngược với trường hợp kênh truyền thông tin hữu tuyến điểm - điểm, truyền thông không dây sử dụng các phương tiên đùng chung: kênh

vô tuyển Việc sử dụng các phương tiên chia sẻ ham ý rằng phải dành một

sự quan tâm đặc biệt nhằm tránh việc truyền thông tin chồng chéo lền nhau

trong cùng một thời điểm

Mật ví dụ điển hình về sư xung đột này dược mô tả trong hình 3.2: nút +

đang truyền đữ liệu đến nút ø sứ dụng một công suất truyền cụ thể là P;

cùng lúc ấy, nút sơ cũng dang truyền dữ liệu dén mit z cũng sử dụng một

công suất Iruyền P Vì Ho,w) - đạ< Kv.u) — dị, công suất của tín hiệu giao

thoa do nút ø nhận thủ cao hơn công suất của dường truyền dự tính từ núi

! và việc thu đữ liệu truyền từ nút w bị gián đoạn

Hình32 Xung đột ruyền phát vô tuyến, Các hình tròn thế hiện khu

vực phủ sóng vỡ tuyển với công suất truyền P,

' Điều này đúng độc lập đối với mô hình tổn thất đường truyền tất định, Trơng trường hợp mô

hình tổn thái đường Iruyên xác suất, phải biếu này giữ tình rang tập