Điều khiển tối ưu cấu hình trong mạng vô tuyến AD HOC - SENSOR

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

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Trang 3

MỤC LỤC

Danh mục chữ viết tắt 4

Danh sách hình 5

Danh sách bảng 6

Mở đầu 7

Chương 1 Tổng quan về mạng Ad hoc – Sensor 8

1.1 Tương lai của truyền thông vô tuyến 8

1.1.1 Mạng ad hoc 8

1.1.2 Mạng cảm biến không dây 11

1.2 Những thách thức 13

1.2.1 Mạng ad hoc 13

1.2.2 Mạng cảm biến không dây 14

1.3 Kết luận 16

Chương 2 Mô hình mạng Ad hoc 17

2.1 Kênh vô tuyến 17

2.1.1 Mô hình truyền dẫn trong không gian tự do 18

2.1.2 Mô hình hai – tia mặt đất (two-ray ground model) 19

2.1.3 Mô hình logarit – khoảng cách (log-distance path) 20

2.1.4 Mô hình biến thiên rộng (large – scale) và biến thiên hẹp (small – scale) 21

2.2 Graph thông tin 22

2.3 Mô hình tiêu thụ năng lượng 25

2.3.1 Mạng Ad hoc 25

2.3.2 Mạng sensor 27

2.4 Mô hình di động 28

Trang 4

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

2.4.2 Mô hình hướng ngẫu nhiên (Random dierection model - RD) 30

2.4.3 Chuyển động Brownian-like (Brownian-like motion) 31

2.4.4 Chuyển động theo bản đồ (map-based mobility) 31

2.4.5 Chuyển động theo nhóm (Group-based mobility) 33

2.5 Asymptotic Notation (Ký hiệu tiệm cận) 34

2.6 Kết luận 35

Chương 3 Điều khiển cấu hình 36

3.1 Điều khiển cấu hình và biến đổi năng lượng 36

3.2 Điều khiển cấu hình và dung lượng mạng 38

3.3 Taxonomy điều khiển cấu hình 41

3.4 Điều khiển cấu hình trong Protocol Stack 43

3.4.1 Điều khiển cấu hình và định tuyến 44

3.4.2 Điều khiển cấu hình và MAC 45

3.5 Kết luận 48

Chương 4 Điều khiển tối ưu cấu hình 49

4.1 Xác định bài toán 50

4.2 Ấn định khoảng trong mạng một chiều 51

4.3 Ấn định khoảng trong mạng hai chiều 54

4.4 Tính đối xứng 56

4.4.1 Tính đối xứng trong mạng một chiều 58

4.4.2 Tính đối xứng trong mạng hai chiều 59

4.4.3 Các thuật toán xấp xỉ cho WSRA 64

4.5 Mục tiêu năng lượng 65

4.6 Unicast hiệu quả năng lượng 66

4.7 Broadcast hiệu quả năng lượng 72

4.8 Kết luận 75

Trang 5

Kết luận 77 Tài liệu tham khảo 79 Chỉ mục 84

Trang 6

DANH MỤC CHỮ VIẾT DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT TẮT TẮT

BIP Broadcast Incremental Power

CTR critical transmitting range

CTS Clear to Send

DSR Dynamic Source Routing

DT Delaunay Triangulation

GPS Global Positioning System

MAC Medium Access Control

NAV Network Allocation vector

RD Random dierection

RNG Relative Neighborhood Graph

RTD Restricted Delaunay Triangulation RTS Request To Send

SRA Symmetric Range Assignment

WSN Wireless Sensor Network

WSRA Weakly Symmetric Range Assignment

Trang 7

DANH SÁCH HÌNH

Hình 2-1 Mô hình hai – tia mặt đất 20

Hình 2-2 Vùng phủ sóng vô tuyến 23

Hình 2-3 RWP và chuyển động hướng ngẫu nhiên 33

Hình 2-4 Chuyển động map-based 34

Hình 3-1 Truyền thông đa chặng 37

Hình 3-2 Mâu thuẫn truyền thông không dây 38

Hình 3-3 Truyền thông đa chặng 40

Hình 3-4 Một taxanomy về kỹ thuật điều khiển cấu hình 42

Hình 3-5 Điều khiển cấu hình trong Protocol Stack 44

Hình 3-6 Tương tác giữa điều khiển cấu hình và định tuyến 45

Hình 3-7 Mức độ quan trọng của cài đặt phù hợp 46

Hình 3-8 Tương tác giữa điều khiển cấu hình và lớp MAC 47

Hình 4-1 Các cạnh ngược hướng trong tập cạnh E2,5 51

Hình 4-2 Thuật toán tìm ấn định khoảng tối ưu trong mạng 1 chiều 54

Hình 4-3 Cây tối thiểu T và ấn định khoảng tương ứng 55

Hình 4-4 Các yêu cầu khác nhau giữa bài toán WSRA và WRA 57

Hình 4-5: Một cải tiến (gadget) trên cạnh , 61

Hình 4-6 Ví dụ bài toán ∈ () 65

Hình 4-7 Graph công suất cực đại và hệ số co giãn năng lượng 67

Hình 4-8 Thuật toán xây dựng Graph GABRIEL 71

Hình 4-9 Điều kiện một cạnh nằm trong graph 71

Hình 4-10 Thuật toán Broadcast Incremental Power 74

Trang 8

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 2-1: Giá trị của trong các môi trường khác nhau 21

Bảng 2-2 Mức tiêu hao công suất của card vô tuyến IEEE 802.11 26

Bảng 2-3 Công suất tiêu hao của một nút cảm biết Rockwell’s WINS 28

Bảng 4-1 Hệ số co giãn khoảng cách của các graph xấp xỉ khác nhau 70

Trang 9

MỞ Đ

MỞ ĐẦU ẦU ẦU

Mạng vô tuyến ad hoc – sensor là một cách tổ chức mạng mới, đang được các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước chú ý trong những năm gần đây Do đặc thù, mạng đòi hỏi phải có tính linh hoạt và hiệu quả sử dụng năng lượng của mạng cao Chính vì lí do đó, bản luận văn này tập trung vào nghiên cứu một số vấn đề về tối ưu cấu hình mạng, nhất là tối ưu hiệu quả năng lượng – luôn là chủ đề được nhiều người quan tâm đối với mạng ad hoc – sensor

Bản luận văn được chia thành 4 chương

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

Chương 2 – Mô hình mạng Ad hoc: Giới thiệu các mô hình cơ bản sẽ sử dụng để xây dựng và giải quyết các bài toán điều khiển cấu hình, tối ưu năng lượng mạng ad hoc –sensor Gồm các mô hình: Các mô hình kênh vô tuyến, các mô hình tiêu thụ năng lượng, các mô hình di động

Chương 3 – Điều khiển cấu hình: Giới thiệu 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 khiển tối ưu cấu hình: Xây dựng 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 quả năng lượng

Trang 10

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG

TỔNG QUAN VỀ MẠNG AD HOC AD HOC AD HOC ———— SENSOR SENSOR SENSOR

Chương 1 giới thiệu ngắn gọn về mạng vô tuyến ad hoc and

sensor, mô tả một số ứng dụng khả thi của công nghệ này trong

tương lai gần Chương này cũng đề cập đến những thách thức về

mặt công nghệ cần được giải quyết trước khi loại mạng này thực

sự được triển khai trên diện rộng

1.1.

1.1 Tương lai của truyền thông vô tuyến Tương lai của truyền thông vô tuyến Tương lai của truyền thông vô tuyến

Năng lực của hạ tầng thông tin cùng với các thiết bị tính toán và thông tin di động liên tục được cải tiến đã thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của các mạng vô tuyến di động, đồng thời cũng là điều kiện cho sự bùng nổ của các mạng cellular dựa trên sự kết hợp của cả hai công nghệ: vô tuyến và hữu tuyến Theo thống kê đến cuối năm 2005, số lượng người sử dụng mạng cellular lên đến 2 tỷ Mặc dù nghiên cứu và ứng dụng các mạng không dây truyền thống sử dụng hạ tầng mạng cố định vẫn đang là xu hướng chính và tiếp tục phát triển, nhưng ngành công nghiệp thông tin cũng đã bắt đầu chuyển sang nghiên cứu về mạng vô tuyến di động mà trong đó nhóm các thiết bị di động liên kết với nhau mà không sử dụng hạ tầng mạng cố định, các mạng như vậy được gọi là mạng ad hoc

1.1.1 Mạng ad hoc

Mạng ad hoc là sự phát triển cao nhất của thông tin vô tuyến, trong mạng này các nút (node) liên kết trực tiếp với nhau thông qua bộ thu phát không dây (wireless transceiver) mà không sử dụng hạ tầng mạng cố định Đây là một đặc tính riêng biệt của mạng ad hoc so với các mạng không dây

Trang 11

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

Mạng ad hoc được mong đợi sẽ là một cuộc cách mạng về thông tin vô tuyến trong một vài năm tới, bổ sung và hoàn thiện các mô hình mạng truyền thống (mạng Internet, cellular, thông tin vệ tinh) Mạng ad hoc cũng

có thể được xem là công nghệ tương ứng với khái niệm điện toán khắp nơi (ubiquitous computing) Với công nghệ mạng ad hoc, những thiết bị di động (như điện thoại di động, PDAs, máy tính xách tay,… ) và các thành phần của mạng cố định (như các trạm thu phát cố định, các điểm truy cập Internet không dây, … ) có thể kết nối với nhau, tạo thành mạng toàn cầu hoặc mạng khắp nơi (ubiquitous network)

Trong tương lai, công nghệ mạng ad hoc có thể sẽ là lựa chọn rất hữu ích Ví dụ 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 Rõ ràng là hoạt động hợp tác như thế chỉ đạt được thành quả khi các đội cứu hộ

có thể giao tiếp, thông tin 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 cứu hộ sẽ gặp rất nhiều hạn chế khi những cơ sở hạ tầng viễn thông cố định đã bị phá hủy, các thành viên của đội cứu hộ chỉ có thể liên lạc bằng bộ đàm cầm tay trong phạm vi hẹp Một trong những ưu tiên trong khắc phục hậu quả là thiết lập lại cơ sở

hạ tầng viễn thông nhanh nhất có thể, bằng cách sửa chữa các thiết bị, kết cấu hư hỏng hay triển khai các thiết bị viễn thông tạm thời (ví dụ như xe thu phát di động)

Chúng ta có thể ứng dụng công nghệ mạng ad hoc 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 hộ ở cách xa nhau cũng có thể liên lạc với nhau thông qua nhiều trạm chuyển tiếp chính là bản thân các thiết bị trong mạng Khi đó liên lạc thông tin trong phạm vi thành phố hoặc rộng

Trang 12

hơn có thể thực hiện được mà không cần thiết lập lại mạng viễn thông cố định

Qua ví dụ trên, chúng ta thấy rằng kịch bản ứng dụng mạng ad hoc điển hình sẽ có những đặc điểm sau:

− Tính đa dạng về thiết bị (heterogeneous network): mạng ad hoc bao gồm

rất nhiều loại thiết bị khác nhau, như trong ví dụ trên thì các đội cứu

hộ sử dụng các loại thiết bị như điện thoại di động, PDA, bộ đàm cầm tay, máy tính xách tay… và các thiết bị này đều có thể kết nối

với nhau trong mạng ad hoc

− Tính di động (mobility): hầu hết các thiết bị trong mạng ad hoc đều di động

− Tính phân tán (relatively dispersed network): mạng ad hoc có tính ứng

dụng tốt nhất khi các nút phân tán đủ xa về mặt địa lý Nếu các nút quá gần nhau thì khi đó chỉ cần kết trực tiếp giữa các nút, không cần đến nút chuyển tiếp, do đó không phát huy được hết tính ưu việt của mạng ad hoc

Các ứng dụng của mạng ad hoc rất đa dạng và phong phú, sau đây là một số ứng dụng tiêu biểu:

− Ứng dụng cho dịch vụ truyền thông trên đường cao tốc và vùng đô thị (highways and urban area): thông tin về tình hình giao thông được phát

quảng bá tới các ô tô trang bị hệ thống GPS (Global Posisioning System), thông qua các trạm phát sóng cố định khi xe ở trong phạm

vi của chúng, sau đó các ô tô này sẽ chuyển tiếp thông tin này tới các

xe xa hơn So với các dịch vụ truyền thống thì công nghệ này sẽ cung cấp thông tin nhanh hơn và rộng hơn

− Truy nhập internet ở khắp nơi (Ubiquitous Internet Access): trong tương

lai gần các điểm công cộng như sân bay, nhà ga, trung tâm thương mại… sẽ đều được trang bị điểm truy nhập internet không dây, khi

đó thiết bị di động của người dùng truy nhập internet tại các điểm này sẽ trở thành cầu nối để mở rộng phạm vi truy nhập internet ra toàn khu vực

Trang 13

− Quảng bá thông tin địa điểm (location-aware information): sử dụng trạm phát sóng cố định (như dịch vụ quảng bá tình hình giao thông), các

thông tin địa điểm của địa phương có thể được phát tới những người quan tâm, ví dụ như thông về các sự kiện, điểm du lịch, nhà hàng, cửa hiệu tại địa phương

1.1.2 Mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây (WSN – Wireless Sensor Network) là một

trường hợp cụ thể của mạng ad hoc, các nút trong mạng là các cảm biến

thông minh (smart sensor), đó chính là 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 môi trường, tập hợp các thông tin này giúp cho việc giám sát được khu vực cần theo dõi WSN được hy vọng là một bước đột phá trong quan sát thế 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 dụng của WSN, chúng ta sẽ xem xét chi tiết ứng dụng mạng cảm biến trong việc giám sát khu vực rộng lớn và ở xa nhằm nhanh chóng phát hiện ra các sự kiện bất thường (ví dụ như cháy rừng) Các thiết bị cảm ứng thông minh với bộ nguồn, bộ xử lý tín hiệu và

bộ liên lạc không dây sẽ được bố trí tại các điểm thích hợp (như đỉnh đồi hoặc các điểm có tầm quan sát rộng) Mỗi cảm biến sẽ chịu trách nhiệm quan sát trên một diện tích nhất định và liên lạc với các cảm biến xung quanh Cảm biến thu thập dữ liệu về môi trường (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, tốc độ

và hướng gió), dựa trên dữ liệu 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 độ Mỗi cảm biến đều biết vị trí địa lý của mình, biểu diễn bởi kinh độ và vĩ độ thông qua

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

biến cố định vị trí) Theo định kỳ, các cảm biến trao đổi dữ liệu với các nút xung quanh để nhận biết các hiện tượng bất thường Khi phát hiện ra tình trạng nguy hiểm (ví dụ là có cháy), một thủ tục cần thiết sẽ được kích hoạt: cảm biến mà phát hiện ra tình trạng bất thường sẽ liên lạc với các cảm biến

Trang 14

xung quanh để xác định xem các cảm biến 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 ví dụ trên, chúng ta có thể thấy ứng dụng WSN sẽ có những đặc điểm sau:

− Tính đa dạng: khác với những ứng dụng mạng ad hoc khác, ứng dụng

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 (bộ nhớ lớn, phạm vi liên lạc rộng) để tăng cường khả năng giám sát của mạng, nhưng các thiết bị khác nhau trong WSN cũng chỉ giới hạn trong 2-3 lớp

− Tính cố định (Stationary or quasistationary network): khác với ứng dụng

mạng ad hoc thông thường, WSN thường là mạng cố định hoặc các phần tử 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

− Tính phân tán: đây là đặc điểm chung của mạng ad hoc, WSN thường

bao gồm nhiều nút, phân tán trên một phạm vi lớn, do đó thường không thể liên kết trực tiếp giữa các nút

− Quy mô lớn: số phần tử trong WSN thường khá lớn, từ vài nghìn đến

hàng chục nghìn nút

Một số ứng dụng chính của WSN gồm:

− Giám sát nhiệt độ nước biển để dự báo thời tiết (weather forecast): nhiệt độ

của nước biển ảnh hưởng rất lớn đến điều kiện thời tiết, với số lượng cực lớn các thiết bị cảm biến được phân bố trên biển, các nhà khoa học có thể theo dõi khá chính xác nhiệt độ của nước biển, từ đó đưa

ra các dự báo thời tiết chính xác hơn

− Phát hiện bất thường (instrution detection): giám sát, phát hiện các

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

Trang 15

− Dự đoán lở tuyết (avalanche prediction): bộ cảm biến với thiết bị GPS

được sử dụng để giám sát sự di 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

1.2.

1.2 Những thách thức Những thách thức Những thách thức

Mặc dù công nghệ mạng ad hoc đã chín muồi, nhưng các ứng dụng 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 biến vẫn chưa được giải quyết triệt để và các thách thức chính mà những nhà thiết kế mạng ad hoc/cảm biến phải xử

lý

1.2.1 Mạng ad hoc

Trong vài năm gần đây, mạng ad hoc đã 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 dựng mạng ad hoc Một số chuẩn phổ biến như IEEE 802.11 [19] và Bluetooth [9]đã được ứng dụng trong rất nhiều sản phẩm thương mại Tuy công nghệ mạng ad hoc phát triển khá mạnh, nhưng các ứng dụng mạng ad hoc vẫn chưa hoàn thiện do rất nhiều vấn đề gặp phải trong thực tế triển khai chưa được giải quyết Sau đây là một số thách thức chính:

− Năng lượng (Energy conservation): các phần tử trong mạng ad hoc

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

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

− Topology của mạng không có cấu trúc và biến đổi (Untructured, varying): các nút mạng có thể di chuyển tùy ý trong một phạm vi nhất định, do đó mạng thường là không có cấu trúc, ngoài ra do tính lưu động hoặc sự cố của nút mà topology của mạng biến đổi Việc tối

time-ưu mạng với những điều kiện trên là vấn đề vô cùng khó khăn

− Chất lượng liên lạc thấp (low-quality conmmunication): mạng không dây

thường chất lượng thấp hơn mạng cố định và bị ảnh hưởng nhiều bởi yếu tố môi trường và thay đổi theo thời gian

Trang 16

− Ràng buộc về tài nguyên (resource-constrained computation): so với các

mạng thông thường, mạng ad hoc có băng thông và nguồn điện rất hạn chế, do dó các giao thức của mạng ad hoc phải tối giản để tương ứng với nguồn tài nguyên hạn chế

− Khả năng mở rộng (Scalability): một số ứng dụng mạng ad hoc sử dụng

tới hàng nghìn nút mạng, các giao thức cũng phải đảm bảo được khả năng mở rộng với số lượng nút lớn như thế

Trong trường hợp mạng ad hoc sử dụng như là mạng khắp nơi, cần phải

xử lý được các vấn đề sau:

− Tính trong suốt với người dùng (Interoperability): dã liệu truyền đi qua

nhiều kiểu mạng khác nhau: ad hoc, cellular, vệ tinh, WLAN, PSTN, internet… nhưng vẫn đảm bảo ứng dụng không bị ngắt quãng (hoặc ngắt quãng trong khoảng thời gian rất ngắn và người dùng chấp nhận được)

− Xây dựng được một mô hình kinh doanh có tính khả thi (feasilbe business model): khả năng thanh khoản giữa các mạng không dây hiện tại dựa trên bản ghi dữ liệu từ các hệ thống quản lý tập trung Trong mạng khắp nơi, rõ ràng vẫn chưa rõ là hệ thống nào sẽ thực hiện tính cước

và thanh khoản giữa các kiểu mạng khác nhau

− Điều phối giữa các nút: khi xây dựng một giao thức mạng, chúng ta

thường mặc định là tất cả nút mạng đều tham gia vào thực thi của giao thức., tuy nhiên trong một số ứng dụng mạng ad hoc không đáp ứng được vấn đề này Các nút mạng, bằng cách nào đó phải được thực thi theo các tiêu chí giao thức

1.2.2 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 Đầu 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 loạt dự án đã được đầu tư để phát triển các ứng dụng WSN Một trong những dự án nổi tiếng là Great Duck

Trang 17

Island, nghiên cứu ứng dụng WSN đề tự động giám sát môi trường sống của chim hải âu

Cảm biến thông minh cũng được các hãng sản xuất và thương mại hóa, đồng thời rất nhiều công ty cũng phát triển các ứng dụng riêng của mình dựa trên nền tảng các nút cảm biến thông minh như: Intel, Philips, Siemen, STMicrolectronics…

Các chuẩn giao thức cho WSN cũng được xây dựng và ứng dụng, chuẩn giao thức được sử dụng 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 hơn 100 thành viên tại 22 quốc gia) ủng hộ và lựa chọn Cũng như mạng ad hoc, công nghệ WSN phát triển mạnh mẽ nhưng các ứng dụng dựa trên chúng thì chưa được định nghĩa rõ ràng và đầy đủ Thị trường ứng dụng tiềm năng của WSN có thể kể đến là: nhà thông minh, xây dựng tự động, công nghiệp tự động và các ứng dụng tự động hóa Tuy nhiên việc ứng dụng WSN vẫn còn nhiều vấn đề đặt ra cần phải giải quyết:

− Năng lượng (Energy conservation): năng lượng là vấn đề mấu chốt của

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

− Chất lượng liên lạc thấp (low-quality conmmunication): các phần tử của

WSN thường được sử dụng trong môi trường khắc nghiệt, khi đó chất lượng của liên lạc vô tuyến cũng giảm sút rất nhiều

− Hoạt động trong môi trường nguy hiểm (hostile enviroment): rất nhiều

ứng dụng WSN yêu cầu nút cảm biến phải hoạt động trong môi trường nguy hiểm (thường không sử dụng con người: dò mìn, phá bom, bức xạ cao, nhiệt độ cao…) do đó các nút cảm biến phải có thiết

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

− Ràng buộc về tài nguyên (resource-constrained computation): so với các

mạng ad hoc thông thường, WSN còn hạn chế hơn rất nhiều về mặt tài nguyên do kích cỡ của các nút cảm biến thường rất nhỏ

− Xử lý dữ liệu: với ràng buộc về tài nguyên và chất lượng liên lạc thấp,

dữ liệu thu được tại các nút cảm biến cần phải được nén ngay tại nút,

Trang 18

giảm được tài nguyên được sử dụng để truyền dữ liệu tới trung tâm

Do đó, trung tâm sẽ được thiết kế để thu thập dữ liệu theo các mức khác nhau, cân bằng giữa các yếu tố dữ liệu và tài nguyên sử dụng

− Khả năng mở rộng (Scalability): tương tự như mạng ad hoc, số lượng

nút trong WSN là rất lớn và các giao thức đảm bảo hoạt động hiệu quả của số lượng lớn các nút

− Khó khăn trong việc thương mại hóa ứng dụng: hiện nay, cảm biến thông

minh đã trở thành sản phẩm thương mại, nhưng để thương mại hóa các ứng dụng dựa trên WSN thì vẫn còn rất nhiều khó khăn 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

1.3.

1.3 Kết luận Kết luận Kết luận

Qua phần trên cho thấy trong tương lai gần, ứng dụng của mạng ad hoc – 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 rộng 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 tin, khả năng mở rộng Trong các chương tiếp theo, ta sẽ đi vào giải quyết bài toán tối ưu mạng nhằm giảm mức tiêu hao năng lượng của mạng ad hoc – sensor

Trang 19

Chương 2

MÔ HÌNH MẠNG AD HO

MÔ HÌNH MẠNG AD HOC C C

Chương 2 giới thiệu mô hình mạng vô tuyến sẽ sử dụng trong tài

liệu này để nghiên cứu tối ưu cấu hình mạng ad hoc sensor Để

mô hình hóa một hệ thống phức tạp như một mạng vô tuyến đa

chặng, ta cần rất nhiều mô hình con: một mô hình kênh vô tuyến

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

một mô hình tiêu thụ năng lượng nút mạng, và một mô hình biểu

diễn sự di chuyển của node

2.1.

2.1 Kênh vô tuyến Kênh vô tuyến Kênh vô tuyến

Các nút trong mạng vô tuyến ad hoc và sensor giao tiếp với nhau thông qua các bộ thu phát vô tuyến Do đó trong bất kỳ một mô hình mạng ad hoc nào, kênh vô tuyến luôn là một khối căn bản rấtquan trọng Mô hình kênh vô tuyến được trình bày ở đây dựa trên các tài liệu trong cuốn [33]

Một kênh vô tuyến giữa bộ phát và bộ thu được thiết lập nếu và chỉ nếu công suất của tín hiệu vô tuyến nhận được tại nút vượt qua một

ngưỡng nhất định, gọi là ngưỡng độ nhạy (sensitivity threshold) Tức là sẽ tồn

tại một liên kết trực tiếp giữa và nếu ≥ trong đó là công suất tín hiệu nhận được tại ,và là ngưỡng độ nhạy Giá trị chính xác của phụ

thuộc vào các đặc tính của bộ thu phát vô tuyến và tốc độ 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 phải mạnh hơn Để đơn giản hóa các biểu thức, từ đây về sau ta quy ước có giá trị là 1

Công suất thu phụ thuộc vào công suất phát của  và tổn thất đường truyền (path loss), thể hiện suy giảm tín hiệu vô tuyến gây ra bởi khoảng cách

Trang 20

giữa máy thu và máy phát Ký hiệu (, ) là tổn thất đường truyền giữa

và

Ta có thể viết:

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

vô tuyến giữa hai nút mạng bất kỳ nếu như biết được tổn thất đường truyền Các cơ chế truyền tín hiệu vô tuyến trong môi trường có thể phân chia

thành ba nhóm: phản xạ (reflection), nhiễu xạ (diffraction) và tán xạ (scattering)

Phản xạ xảy ra khi sóng điện từ đập vào bề mặt vật thể có kích thước rất lớn

so với bước sóng của tín hiệu Ví dụ , sóng vô tuyến bị phản xạ bởi bề mặt trái đất và các tòa nhà, bức tường lớn Nhiễu xạ gây ra bởi các vật thể có các cạnh rất sắc nhọn nằm trên đường truyền giữa máy phát và máy thu Tán xạ xảy ra khi có nhiều vật thể nhỏ, so với bước sóng tín hiệu, nằm giữa máy phát và máy thu tín hiệu Thông thường, nguồn gây ra tán xạ là cây cối, biển hiệu giao thông, v.v Như vậy ta thấy rằng sự truyền dẫn sóng vô tuyến là một hiện tượng cực kỳ phức tạp và chịu ảnh hưởng rất lớn bởi các thông số của môi trường Phần tiếp theo sẽ trình bày ngắn gọn một số mô hình tổn thất đường truyền được sử dụng

2.1.1 Mô hình truyền dẫn trong không gian tự do

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

vô tuyến khi đường truyền giữa máy phát và máy thu không có vật cản Ký hiệu () là công suất tín hiệu vô tuyến thu được tại nút cách máy phát khoảng cách là Ta có:

() =(4) (2.2)

trong đó là độ lợi anten phát, là độ lợi anten thu, là hệ số suy hao của

hệ thống không liên quan đến truyền dẫn, và 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:

Trang 21

() = ∙ (2.3) trong đó (! nghĩa là không gian tự do – free space) là một hằng số có giá

trị phụ thuộc vào đặc điểm của máy phát

Biểu thức (2.3) cho thấy suy giảm của công suất thu được tỉ lệ với bình phương khoảng cách giữa máy phát và máy thu Kết hợp biểu thức (2.3) với ngưỡng độ nhạy, có thể phát biểu tín hiệu phát có thể thu được chính xác nếu và chỉ nếu:

Hay nói cách khác, vùng bao phủ sóng vô tuyến của một nút phát có công suất là khu vực hình tròn tâm tại nút phát và có bán kính $ Biểu thức suy giảm đường truyền trong không gian tự do (2.3) chỉ đúng khi giá trị tương ứng điểm thu cách điểm phát khá xa Với những giá trị

≤ %, (% là khoảng cách gần – close-in distance) thì suy giảm đường truyền

Trong mô hình này, công suất thu được tại khoảng cách được tính bởi công thức:

() = ℎℎ' (2.5)

Trang 22

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 ( ≫ $ℎℎ), bỏ qua các đặc tính của máy phát, ta có thể viết lại biểu thức (2.5) như sau:

() = ∙' (2.6) Trong đó () ký hiệu cho hai – tia mặt đất – two – ray ground) là một

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 tuyến 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 độ nhạy sẽ tính được trong trường hợp này vùng bao phủ sóng vô tuyến của một nút phát có công suất là khu vực hình tròn tâm tại nút phát và có bán kính $*

2.1.3 Mô hình logarit — khoảng cách (log-distance

path)

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

Hình 2-1 Mô hình hai – tia mặt đất: tín hiệu vô tuyến được gửi đi từ

nút đến nút bằng một đường thẳng và một đường phản xạ mặt đất

Trang 23

Mô hình này có thể xem như là mô hình tổng quát của mô hình không gian tự do và mô hình hai tia mặt đất, chỉ ra rằng trung bình suy hao đường đối với khoảng cách xa tỉ lệ với khoảng cách  mũ , gọi là số mũ suy hao đường (path loss exponent) Biểu thức như sau:

Bảng 2-1: Giá trị của trong các môi trường khác nhau

Trong nhà, LOS 1.6 – 1.8 Trong nhà, không LOS 4 – 6

2.1.4 Mô hình biến thiên rộng (large — scale)

và biến thiên hẹp (small — scale)

Mô hình logarit khoảng cách dự đoán công suất thu trung bình tại một

khoảng các nhất định Tuy nhiên cường độ tín hiệu thu được có thể sai khác rất nhiều so với giá trị trung bình Do đó mô hình xác suất được sử dụng để tính toán sự biến thiên của kênh vô tuyến Trong mô hình truyền dẫn xác suất, vùng phủ sóng vô tuyến không còn là hình tròn do sự xuất hiện kênh

vô tuyến giữa hai nút là sự kiện ngẫu nhiên

Mô hình truyền dẫn xác suất có thể phân chia thành hai lớp:

− Mô hình biến thiên rộng (large-scale models): Là những mô hình dự

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

Trang 24

− Mô hình biến thiên hẹp (small-scale models): Là những mô hình dự đoán

sự biến thiên cường độ tín hiệu ở khoảng cách rất ngắn Chúng còn

được gọi là các mô hình xuyên âm đa đường (multipath fading) hay xuyên âm đơn giản (simple fading)

Mô hình biến thiên rộng quan trọng nhất là mô hình hiệu ứng màn chắn logarit chuẩn tắc (log-nomal shadowing model)., trong đó suy hao đường ở khoảng cách được mô hình hóa bằng một biến ngẫu nhiên tuân theo luật phân phối logarit chuẩn có giá trị trung tâm gần với giá trị trung bình trong biểu thức (2.7) Mô hình xuyên âm quan trọng nhất là mô hình Rayleigh, mô hình hóa sự biến thiên cường độ tín hiệu ở khoảng cách hẹp bằng một biến ngẫu nhiên tuân theo phân bố Rayleigh Mô tả chi tiết về các mô hình truyền dẫn xác suất được trình bày trong cuốn [33]

2.2.

2.2 Graph thông tin Graph thông tin Graph thông tin

Graph thông tin định nghĩa tô-pô mạng, đó là tập các liên kết vô tuyến

mà các nút có thể sử dụng để trao đổi thông tin với nhau Biểu diễn một liên kết giữa hai nút và trong mạng phụ thuộc vào:

(i) khoảng cách tương đối giữa và ,

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

(iii) môi trường xung quanh

Tính toán biến thiên rộng và hẹp của tín hiệu vô tuyến thực sự phức tạp

và việc thể hiện mô hình liên kết bị ràng buộc chặt chẽ với mỗi ứng dụng nhất định Do đó trong tài liệu này kênh vô tuyến sẽ được mô hình hóa bằng

mô hình logarit khoảng cách, trong đó nhiều đặc tính của mội trường được trừu tượng hóa

Coi / là tập các nút vô tuyến, với |/| = Các nút này nằm trong khu vực được bao bởi miền Để đơn giản, giả sử là hình khối -chiều ( = 1, 2, 3) Với bất kỳ ∈ /, vị trí của trong ký hiệu là () là một tọa

độ -chiều Hàm : / ↦ ánh xạ mọi nút mạng sang vị trí vật lý nằm trong

Đối với nút di động, vị trí vật lý của nó sẽ phụ thuộc vào thời gian Nếu nút di chuyển trong , sự di động có thể biểu diễn nhờ thêm tham số thời

Trang 25

gian ) vào hàm Tóm lại hàm : / × 7 ↦ sẽ gán cho mọi phần tử của /

và tại mọi thời điểm ) ∈ 7 một tập các tọa độ -chiều, biểu diễn vị trí vật lý của nút ở thời điểm ) Do vậy một mạng ad-hoc -chiều được biểu diễn bởi biểu thức 89 = (/, ), trong đó / và đã được định nghĩa ở trên

Cho một mạng 89 = (/, ), một ấn định khoảng (range assignement) cho

89 là một hàm thực hiện ấn định cho mỗi nút ∈ / một giá trị () ∈ (0,;;<=>?@ biểu diễn khoảng phát (transmitting range) của Tham số <=>? gọi là

khoảng phát cực đại (maximum transmitting range) và phụ thuộc và các đặc tính

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 <=>? sẽ như nhau ở mọi nút Trong trường hợp các bộ phát vô tuyến khác chủng loại, thì sẽ lấy <=>?bằng giá trị lớn nhất trong toàn mạng, nên giả thiết trên vẫn đúng

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

có thể thu được chính xác Cho khoảng < là một phân vùng của mà trong phạm vi đó có khả năng thu được số liệu chính xác < phụ thuộc vào số chiều của mạng: mạng 1 chiều, đó là đoạn có độ dài 2< tâm tại ; mạng 2 chiều, đó là hình tròn bán kính < tâm tại ; mạng 3 chiều thì đó là hình cầu bán kính < tâm tại (xem Hình 2-2)

Với giả thiết sự truyền dẫn sóng vô tuyến theo mô hình khoảng cách logarit, ứng với mỗi khoảng phát bất kỳ < ∈ (0,;;<=>?@ sẽ tồn tại duy nhất một giá trị công suất phát ∈ (0,;;=>?@ trong đó =>? là mức công suất phát lớn nhất của các nút

Hình 2-2 Vùng phủ sóng vô tuyến trong mạng: 1-chiều (a), 2-chiều

(b), và 3-chiều (c) Vùng phủ có bán kính < và tâm tại nút.

Trang 26

Cho một mạng 89 = (/, ) và một ấn định khoảng , graph thông tin (communication graph) được bao hàm bởi trên mạng 89 tại thời điểm ) được định nghĩa là graph có hướng = (/, A())), trong đó cạnh có hướng B, @ tồn tại nếu và chỉ nếu () ≥ CD(, )), (, ))E, với CD(, )), (, ))E

là khoảng cách Ơ-clit (Euclidean) giữa và tại thời điểm ) Nói cách khác, liên kết vô tuyến có hướng (, ) tồn tại nếu và chỉ nếu khoảng cách các nút

và gần bằng () tại thời điểm ) Khi đó nói là một lân cận cấp 1

(1-hop neighbor), hoặc lân cận (neighbor) của nút Một liên kết vô tuyến được

gọi là hai hướng (bidirectional), hoặc đối xứng (symmetric), tại thời điểm ) nếu

(, ) ∈ A()) và (, ) ∈ A()) Trong trường hợp đó, và được gọi là những lân cận đối xứng (symmetric neighbors)

Ấn định khoảng công suất cực đại (maxpower range assignment) là () =

<=>? cho mọi nút , tức là mọi nút trong mạng đều phát ở công suất cực đại

Graph thông tin thu được được gọi là graph công suất cực đại (maxpower graph), biểu diễn tập tất cả liên kết thông tin có thể giữa các nút trong mạng Nói ấn định khoảng  là đang kết nối tại thời điểm ) (connecting at time )), hoặc đang kết nối (connecting) nếu graph thông tin thu được tại thời điểm ) đã kết nối bền, tức là nếu với bất kỳ cặp nút và , tồn tại ít nhất một đường trực tiếp từ đến Một ấn định khoảng trongđó tất cả các nút có cùng khoảng phát <, với 0 < < ≤ <=>?, được gọi là đồng nhất < (<-homogeneous) Khi

không cần quan tâm đến giá trị chính xác của <, ấn định khoảng đồng

< sẽ được gọi đơn giản là đồng nhất (homogeneous) Graph thông tin sinh ra

từ ấn định khoảng đồng nhất có thể được coi như vô hướng bởi (, ) ∈A()) ⇔ (, ) ∈ A())

Nếu mạng di động, ấn định khoảng có thể thay đổi theo thời gian để giữ nguyên một tính chất nhất định của graph thông tin, như tính kết nối Thông thường, có thể định nghĩa một chuỗi các ấn định khoảng H, I,

… trong khoảng thời gian mạng hoạt động, với J là ấn định khoảng tại thời điểm )K, và việc chuyển đổi giữa các ấn định khoảng được xác định bởi một giao thức thích hợp

Nếu mạng tĩnh, không di chuyển (tức là vị trí của mọi nút không thay đổi trong suốt thời gian hoạt động của mạng), mô hình trên có thể đơn giản

Trang 27

hóa bằng cách coi là hàm chỉ có tham biến / 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 mạng Do vậy thông thường graph thông tin phụ thuộc vào thời gian ngay

cả trong trường hợp mạng tĩnh

2.3.

2.3 Mô hình tiêu thụ năng lượng Mô hình tiêu thụ năng lượng Mô hình tiêu thụ năng lượng

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

là hiệu quả sử dụng của năng lượng Do đó việc xây dựng chính xác mô hình tiêu thụ năng lượng của nút là một vấn đề cơ bản Các tính chất của nút mạng ad hoc và mạng sensor thực sự khác nhau nhiều nên mô hình năng lượng của hai mạng này sẽ được trình bày riêng

2.3.1 Mạng Ad hoc

Mạng ad hoc có thể được được tạo thành từ các nút thuộc nhiều loại khác nhau như máy tính cầm tay, điện thoại di động, máy tính bỏ túi, các thiết bị thông minh,… Mạng ad hoc cũng có thể được tạo thành từ các thiết

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

bộ thu phát vô tuyến Và trên thực tế, vấn đề chính là điều khiển tô pô sao cho giảm thiểu năng lương dùng vào việc trao đổi thông tin

Tùy thuộc vào chủng loại thiết bị, lượng năng lượng tiêu thụ bởi bộ thu phát chiếm từ 15% (laptop với card không dây IEEE 802.11) đến 35% (PDAs) tổng năng lượng tiêu hao của nút Do phần năng lượng tiêu 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 tin là một vấn đề quan trọng Thường thì một card không dây IEEE 802.11 hoạt động ở 4 chế độ:

− Idle: Phần vô tuyến (radio) bật nhưng không được sử dụng

− Transmit: Phần vô tuyến đang truyền phát số liệu

Trang 28

− Receive: Phần vô tuyến đang nhận số liệu

− Sleep: Phần vô tuyến tắt

Bảng 2-2 cho thấy công suất tiêu thụ của card Cisco Aironet IEEE 802.11 a/b/g Trong bảng cũng có khoảng phát danh định khi card hoạt động ở mức công suất toàn phần (full power) Như trong đó cho thấy, khoảng phát danh định phụ thuộc vào các tham số môi trường (điều kiện trong nhà, ngoài nhà)

và tốc độ truyền số liệu

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

vô tuyến CISCO IEEE 802.11 a/b/g Trong bảng, giá trị cực tiểu của khoảng danh định ứng với tốc độ truyền số liệu cực đại (54 Mbps) và giá trị cực đại ứng với tốc độ truyền số liệu 6Mbps

Công suất Idle (mA)

Công suất Tx (mA)

Công suất Rx (mA)

Khoảng Tx trong nhà (m)

Khoảng Tx ngoài trời

Mức tiêu thụ năng lượng của nút được mô hình hóa ở dạng tỉ lệ công suất LMNNO: PMN: <Q: )Q Tức là chỉ cần quan tâm đến giá trị tương đối của mức tiêu thụ năng lượng chứ không cần biết giá trị thực Để mô hình đơn giản hơn, ta quy ước mức tiêu thụ công suất phần vô tuyến là 1 khi phần vô tuyến

ở trạng thái idle, là 1 Q khi phần vô tuyến nhận số liệu, là 1 S khi phần vô tuyến truyền phát số liệu hoạt động ở mức công suất toàn phần, và là 0 T

Trang 29

khi ở trạng thái sleep Các giá trị thực sự của Q, S, T tùy thuộc vào từng thiết

bị

Lưu ý rằng tỉ lệ 1 S sử dụng trong mô hình trên chính là mức tiêu thụ năng lượng tương đối của phần vô tuyến khi card truyền phát số liệu ở mức công suất cực đại Nói cách khác ta sẽ thấy điều khiển cấu hình chính là dựa vào khả năng của nút vô tuyến để điều chỉnh động khoảng phát của thiết bị Đặc tính này thực sự có ở một số card IEEE 802.11 như các sản phẩm của Cisco chẳng hạn Ví dụ 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 vô tuyến, một phần của toàn

bộ năng lương tiêu thụ bởi card Thực 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 mô hình hóa mức tiêu thụ năng lương khi phần

vô tuyến không phát tín hiệu ở mức công suất cực đại chưa có câu trả lời rõ ràng

2.3.2 Mạng sensor

Trong trường hợp mạng sensor, việc đưa ra một mô hình năng lượng đơn giản và sát với thực tế có dễ dàng hơn trường hợp mạng ad hoc Thực tế mạng sensor thường được cấu thành từ các thiết bị đồng nhất và đơn giản Hơn nữa, thuộc tính của phần lớn loại nút cảm ứng đã được biết đến nên đã

có nhiều báo cáo đo đạc mức tiêu thụ năng lượng của các cảm biết không dây trong phòng thí nghiệm [32] Bảng 2-3 cho biết công suất tiêu hao của một nút cảm biết Rockwell’s WINS [34] Nút được cấu thành từ 3 thành phần chính: bộ phận vi điều điều khiển (microcontroller unit – MCU), bộ phận cảm biến (sensor), và bộ phận vô tuyến (wireless radio) Nếu chỉ xét

mức tiêu thụ năng lượng của bộ phận vô tuyến, ta có tỉ lệ sleep:idle:rx:tx là

0.09:1:1.07:2.02 Lưu ý rằng tỉ lệ này tương tự như trường hợp của card không dây 802.11, ngoại trừ công suất tiêu thụ cao hơn khi phần vô tuyến phát tín hiệu ở mức công suất cực đại Khi công suất phát ở mức tối thiểu

(0.12 mW), tỉ lệ idle:tx 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

Trang 30

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

kể đối với mức năng lương tiêu thụ của nút

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

Chế độ MCU Chế độ Sensor Chế độ Radio Tổng công suất (mA)

2.4 Mô hình di động Mô hình di động Mô hình di động

Khả năng di chuyển của các nút mạng là tính năng nổi bật và quan trọng của các mạng ad hoc và trong một số 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 mạng ad hoc/sensor rất ít thấy, các đối tượng chuyển động trong thế giới thực rất khó nắm bắt và ghi nhận nên cách tiếp cận thông thường là sử dụng các mô hình di động nhân tạo/giả thực để mô phỏng và nghiên cứu

Mô hình di động cho các mạng ad hoc/sensor nên có những đặc tả như sau:

− Các chuyển động thế giới thực tương đồng (resemble real-life movements): đưa ra những khả năng sử dụng rộng rãi các ứng dụng

của mạng ad hoc/sensor, sự di chuyển của các đối tượng (patterns) là

rất đa dạng: di chuyển của sinh viên trên các phương tiện 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 dòng chảy ở đại dương cho đến sự di chuyển của động vật trong các ứng dụng WSN theo dõi sự di chuyển của động vật

Trang 31

Đưa ra một mô hình duy nhất tương đồng với tất cả các loại hình di động là điều không thể Tuy nhiên, môt mô hình di động nên đặc tả

ít nhất một kịch bản ứng dụng

− Đơn giản cho mô phỏng và phân tích: Vì các mô hình di động được

sử dụng để mô phỏng các mạng ad hoc, mô hình nên đơn giản để có thể tích hợp với các bộ/công cụ mô phỏng (simulator) để các ứng dụng mô phỏng có thể chạy trong thời gian thích hợp Hơn nữa, sử dụng các mô hình di động đơn giản làm dễ dàng hơn công việc đưa

ra các kết quả phân tích có ý nghĩa khi sử dụng các tham số mạng cơ bản trong thế giới di động Thêm nữa, những kết quả có thể được sử dụng để tối ưu hoạt động của các giao thức mạng ad hoc/sensor

Rõ ràng hai mục đích trên mâu thuẫn với nhau: mô hình càng thực tế thì càng phải chi tiết các tham số và mức độ phức tạp của mô hình sẽ tăng theo Cho nên một mô hình di động nên là sự hài hòa giữ tính đặc tả và tính đơn giản Nó nên đặt sự quan tâm vào các đặc điểm quan trọng nhất của một loại đối tượng chuyển động cụ thế và ít quan tâm đến các chi tiết ít quan trọng hơn

Trong phần dưới, chúng ta mô tả tóm tắt các mô hình di động quan trọng nhất được sử dụng trong mô phỏng các mạng ad hoc/sensor [3] [11]

2.4.1 Mô hình điểm đích ngẫu nhiên (Random

ngẫu nhiên một điểm đích (waypoint) trong vùng hoạt động R và di chuyển hướng đến các điểm đích theo một đường thẳng vân tốc của nút là ngẫu nhiên trong khoảng [vmin, vmax], vmin và vmax là vận tốc tối thiểu và vận tốc cực đại của nút Khi nút đến được đích, nó đứng yên trong một khoảng thời gian được định trước rồi tiếp tục di chuyển theo cùng một đối tượng

Trang 32

Mô hình RWP có tính miêu tả một chuyển động của một đối tượng, trong ngữ cảnh đơn giản: mỗi nút di chuyển độc lập với các nút khác và nó

có khả năng di chuyển vào bất kỳ một vùng con R Ví dụ: một 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 tính phổ dụng của nó, di chuyển RWP đã được nghiên cứu kỹ trong học thuật Trong trường hợp riêng, sự phân bố không gian lâu dài của các mạng di động RWP là tập trung vào trung 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 dần theo thời gian [41] Những quan sát này mang đến sự quan tâm của cộng đồng vào thực tế rằng các mạng di động RWP phải được mô phỏng cẩn thận Trong trường hợp riêng hoạt động của mạng nên được đánh giá sau một khoảng khởi động, khoảng khởi động phải đủ dài để mang đạt đến không gian nút và trung bình vận tốc nút phân bố ổn định

Mô hình RWP cũng đướng khái quát hóa theo hướng thực tế hơn cho dù

nó vẫn là những mô hình đơn giản Ví dụ, theo [6] mô hình RWP được 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 hướng ngẫu nhiên (Random

dierection model - RD)

Tương tự như mô hình RWP, RD tương đồng các phần tử mạng coi các

chuyển động là không cản trở (obstacle free) Mô hình này được tạo ra để duy trì sự sự phân bố không gian các nút một cách đồng bộ trong suốt quá trình mô phỏng do đó bỏ qua hiệu ứng biên như trong mô hình RWP

Trong mô hình này [35], mỗi nút chọn một đích ngẫu nhiên trong khoảng thời gian [0, 2π] và vận tộc ngẫu nhiên trong khoảng [vmin, vmax] Di chuyển trong một hướng chọn trước với vận tốc cho trước Khi nút chạm vào biên của miền R, nó sẽ chọn một hướng mới và vận tốc mới và cứ thế tiếp tục

Trang 33

Những biến đổi của mô hình cũng được trình bày Ở biến đổi đầu tiên [17] [29], một nút được bật lại (bounced back) khi nó chạm vào biên của vùng triển khai Trong một biến 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 tương đồng những chuyển động không cố ý

(nonintentional motion) Bởi lý do này những mô hình này đôi khi được gọi

là những mô hình kiểu người say (drunkardlike)

Trong chuyển động Brownian-like vị trí của một nút 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

Một ví dụ của chuyển động Brownian-like là mô hình được sử dụng ở [36] Sự di động được mô hình dựa vào ba tham số pstat, pmove và m Tham số đầu đại diện cho xác xuất một nút đứng yên trong suốt quá trình mô phỏng Tham số pmove là xác xuất một nút di chuyển tại một thời điểm Tham số m

mô hình, mở rộng vận tốc: nếu một nút đang di chuyển tại bước i, vị trí của

nó tại bước i+1 được chọn ngẫu nhiên trong vùng vuông 2m có trung tâm tại

vị trí nút hiện tại

2.4.4 Chuyển động theo bản đồ (map-based

mobility)

Trong tất cả các mô hình giới thiệu ở trước các nodes tự do chuyển động

trong bất kỳ phân vùng nào của vùng hoạt động R (deployment region) Tuy

nhiên, trong nhiều kịch bản thực tế thì các nodes bị ràng buộc dịch chuyển trong phạm vi cụ thể, các con đường cụ thể Trường hợp này có thể ví dụ như chuyển động của xe ôtô trên đường cao tốc hoặc người đi đường đi trên vĩa hè Mô hình map-based được sử dụng để mô hình hoá các trường hợp này

Trang 34

Bước đầu tiên trong định nghĩa về các mô hình map-based là thiết lập

bản đồ Đó là định ra các con đường trong đó các nodes được phép chuyển động Sau đó, một vài nodes được định vị một cách ngẫu nhiên trên các con đường và chúng bắt đầu chuyển động theo các quy luật cụ thể của kịch bản Một trường hợp của mô hình map-based là mô hình chuyển động Freeway (đường cao tốc) [2], được sử dụng bắt chước theo sự chuyển động của các ôtô trên 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 lượng thay đổi các làn đường ở cả hai hướng Các nodes được đặt ngẫu nhiên trên đường cao tốc, và chúng chuyển động với vận tốc ngẫu nhiên, vận tốc này phụ thuộc vào vận tốc trước đấy của chúng Nếu hai nodes trên cùng một làn đường giữ một khoảng cách tối thiểu nào đó (khoảng cách an toàn), vận tốc của node sau không thể vượt quá vận tốc của node ở trước Một trường hợp khác của mô hình map-based là mô hình chuyển động

Manhattan [2], được sử dụng để thi đua các kịch bản chuyển động trong thành phố Đầu tiên, tao ra bản đồ kiểu ManhaĴan bao gồm các con đường ngang và dọc Các nodes có thể chuyển động dọc theo các con đường ở cả 2 hướng Khi một node đi đến tại điểm giao nhau, nó sẽ ngẫu nhiên chọn hoặc

là tiếp tục đi thẳng hoặc rẽ trái hoặc rẽ phải Giống như mô hình Freeway, vận tốc của một node tại một thời điểm phụ thuộc vào vận tốc trước đó của

nó

Trường hợp thứ ba về mô hình map-based là mô hình chuyển động Obstacle (chướng ngại vật) được giới thiệu trong [20] Trong mô 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 bản đồ thực tế Một khi các toà nhà được triển khai xong, một số lượng các con đường nối giữa các toà nhà khác nhau được tạo

ra và các nodes được giả định dịch chuyển dọc theo những con đường này Một đặc tính thú vị của mô hình này là các chướng ngại vật được xem chống như trong trường hợp truyển tín hiệu radio trong môi trường, hay có thể xem rằng các tính hiệu vô tuyến bị chặn lại bởi các chướng ngại vật

Trang 35

chuyển động theo trưởng nhóm

nhóm có thể rời nhóm vào gia nhập vào nhóm khác theo một xác suất nhất định

trước, như RWP hoặc hướng ngẫu nhiên

nhóm có thể rời nhóm vào gia nhập vào nhóm khác theo một xác suất nhất định Mô hình

Trong các mô hình

định nghĩa là một tập các trưởng nhóm

được ngẫu nhiên phân vào một trong các trưởng nhóm

Khởi đầu, các trưởng nhóm được phân phối một vùng hoạt động

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

trưởng nhóm chuyển động theo một trong các mô hình đề

như RWP hoặc hướng ngẫu nhiên

nhóm có thể rời nhóm vào gia nhập vào nhóm khác theo một xác suất nhất

Mô hình

group-2-3 (a) Các ví dụ của RWP và nhiên

hướng giao nh biên).

Chuyển động theo nhóm

)

Tất cả các mô hình được mô tả ở trước tương đương với chuyển động cá

trong nhiều tình huốngcác nhóm khách du lịch chuyển động trong thành phố

based được trình bày để mô hình hoá các trường hợp

(a)

Trong các mô hình group-based

các trưởng nhóm được phân phối một vùng hoạt động

-based đã được sử dụng trong

Các ví dụ của RWP và nhiên Trong trường hợp chuyển động RWP hướng giao nhau tại tâm của vùng hoạt động biên).

Chuyển động theo nhóm

trong nhiều tình huốngcác nhóm khách du lịch chuyển động trong thành phố

được trình bày để mô hình hoá các trường hợp

(a)

based, một tập nhỏ của các nodes mạng được

chuyển động theo trưởng nhóm Khi hai nhóm gặp nhau

đã được sử dụng trong

Các ví dụ của RWP và Trong trường hợp chuyển động RWP

au tại tâm của vùng hoạt động

Chuyển động theo nhóm (Group

trong nhiều tình huống, các nodes chuyển động theo các các nhóm khách du lịch chuyển động trong thành phố

một tập nhỏ của các nodes mạng được

định nghĩa là một tập các trưởng nhóm (group leaders)

như RWP hoặc hướng ngẫu nhiên Các thành viên khác của nhóm sẽ

Khi hai nhóm gặp nhaunhóm có thể rời nhóm vào gia nhập vào nhóm khác theo một xác suất nhất

các nodes chuyển động theo các các nhóm khách du lịch chuyển động trong thành phố

(b)

group leaders) Các nodes còn lại được ngẫu nhiên phân vào một trong các trưởng nhóm, do v

Các thành viên khác của nhóm sẽ Khi hai nhóm gặp nhau

các nodes chuyển động theo các các nhóm khách du lịch chuyển động trong thành phố

Các nodes còn lại , do vậy nó tạo thành các trưởng nhóm được phân phối một vùng hoạt động

Các thành viên khác của nhóm sẽ Khi hai nhóm gặp nhau, mọi thành viên nhóm có thể rời nhóm vào gia nhập vào nhóm khác theo một xác suất nhất

[39]

chuyển động hướng ngẫu

các nodes có xu

au tại tâm của vùng hoạt động (hiệu ứng

các nodes chuyển động theo các các nhóm khách du lịch chuyển động trong thành phố)

Các nodes còn lại

ậy nó tạo thành các trưởng nhóm được phân phối một vùng hoạt động

trưởng nhóm chuyển động theo một trong các mô hình đề cập ở

Các thành viên khác của nhóm sẽ

mọi thành viên nhóm có thể rời nhóm vào gia nhập vào nhóm khác theo một xác suất nhất

chuyển động hướng ngẫu

các nodes có xu hiệu ứng

Trang 36

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

(a) (b)

2.5.

2.5 Asymptotic Notation Asymptotic Notation Asymptotic Notation ((((Ký hiệu tiệm cận Ký hiệu tiệm cận Ký hiệu tiệm cận))))

Chúng ta nhắc lại các ký hiệu chuẩn liên quan đến các hàm tiệm cận

Cho f và g là các hàm số với biến số x Chúng ta sẽ quan tâm đến việc mô

tả hành vi tiệm cận của f và g khi x -> ∞

Định nghĩa 2.5-1: Ta nói rằng f(x) là có cùng bậc lớn nhất với g(x), ký

hiệu là !(Q) ∈ U(V(Q)), nếu tồn tại các hằng số c và x0 sao cho: với mọi x≥ x0

và f(x) ≤c.g(x) Ta nói rằng f(x) có cùng bậc ít nhất với g(x), ký hiệu là

!(Q) ∈ (V(Q)), nếu V(Q) ∈ U(!(Q)) Ta nói rằng f(x) và g(x) có cùng bậc, nghĩa là !(Q) ∈ W(V(Q)), nếu !(Q) ∈ U(V(Q)) và V(Q) ∈ U(!(Q)) Đôi khi ta cũng sử dụng ký hiệu f(x) ≈ g(x) để chỉ rằng f(x) và g(x) có cùng bậc

Định nghĩa 2.5-2: Ta nói rằng f(x) là tiệm cận nhỏ hơn g(x), ký hiệu là

f(x) « g(x) nếu lim?→\](?)(?) = 0 Ta nói rằng f(x) là tiệm cận lớn hơn g(x), ký hiệu là f(x) » g(x), nếu g(x) « f(x)

Hình 2-4 Các ví dụ của chuyển động map-based: (a) mô hình Freeway

và (b) Mô hình ManhaĴan

Trang 37

2.6 Kết luận Kết luận Kết luận

Trước khi giải quyết bài toán điều khiển tối ưu cấu hình, chúng ta cần phải đưa ra được mô hình phù hợp để mô hình hóa mạng ad hoc – sensor Một mạng ad hoc – sensor phức tạp như mạng vô tuyến đa chặng sẽ cần phải được phân rã thành các mô hình nhỏ hơn, đơn giản để dễ dàng cho việc

mô hình hóa Để làm việc đó chương này đã giới thiệu những mô hình phù hợp nhất để giải quyết bài toán tối ưu cấu hình mạng Các mô hình gồm: một mô hình kênh vô tuyến đơn, một mô hình mô tả toàn bộ các kênh vô tuyến trong mạng, một mô hình tiêu thụ năng lượng nút mạng, và một mô hình biễu diễn sự di chuyển của các node Sang các chương tiếp theo, các mô hình trên đây sẽ được sử dụng trong các bài toán về điều khiển cấu hình mạng

Trang 38

Chương 3 ĐIỀU KHIỂN CẤU HÌ ĐIỀU KHIỂN CẤU HÌNH NH NH

Mở đầu Chương 3 trình bày một số ví dụ về hiệu quả thu được từ

việc sử dụng các kỹ thuật điều khiển cấu hình trong mạng ad hoc

sensor Phần tiếp theo của chương đưa ra định nghĩa ban đầu

không chính thức về điều khiển cấu hình và làm rõ điều khiển cấu

hình là gì, cái gì thì không phải là điều khiển cấu hình Sau khi

thảo luận về nguyên tắc phân loại các phương pháp tiếp cận bài

toán điều khiển cấu hình, phần kết thúc chương sẽ thảo luận về

cách thức tích hợp cơ chế điều khiển cấu hình vào protocol stack

3.1.

3.1 Điều khiển cấu hình và biến đổi Điều khiển cấu hình và biến đổi Điều khiển cấu hình và biến đổi năng lượng năng lượng năng lượng

Như đã tóm tắt ở chương Chương 1, việc sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng quý hiếm 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 thụ một lượng năng lượng đáng kể để phát/ nhận các thông điệp (điều này thật sự đúng trong trường hợp của mạng sensor), nên việc giảm năng lượng tiêu thụ của truyền sóng vô tuyến là một vấn đề quan trọng

Giả sử nút u phải truyền dữ liệu đến nút v ở một khoảng cách d (xem Hình 3-1) Nút v nằm trong khoảng phát của nút u ở công suất cực đại vì thế

có thể có sự truyền sóng vô tuyến trực tiếp giữa nút u và nút v Tuy nhiên cũng tồn tại một nút w thuộc vùng C ngoại tiếp đường tròn đường kính d cắt

cả u và v (xem Hình 3-1) Do δ(u,w)= ^< d và δ(v,w) = < d, nên việc sử

dụng nút w để chuyển tiếp dữ liệu cũng có thể thực hiện được Vậy phương

án nào trong hai phương án trên thuận tiện hơn trong quan điểm giảm mức tiêu thụ năng lượng

Trang 39

Để trả lời câu hỏi này, ta phải căn cứ vào các kênh không dây cụ thể và các mô hình tiêu thụ năng lượng Để đơn giản hơn, giả thuyết sóng vô tuyến lan truyền theo mô hình không gian tự do và chúng ta chỉ quan tâm đến việc giảm thiểu công suất phát sóng mà thôi Với những giả thuyết này, công

suất cần dùng để truyền thông tin trực tiếp từ nút u đến nút v tỉ lệ với ;

trong trường hợp thông tin được chuyển tiếp từ nút w, tổng mức tiêu thụ

năng lượng sẽ tương ứng ^+

Xem xét tam giác uwv, và lấy γ làm góc đối diện cạnh uv, theo hình học

sơ cấp, ta có:

= ^+ - 2^cosb (3.1)

Vì w ∈C hàm ý rằng cos γ≤0, ta có ≥ ^+ Theo đấy, từ quan điểm tiêu thụ năng lượng, sẽ tốt hơn nếu dùng nhiều các chặng ngắn giữa máy phát và máy thu

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

vì dùng biên độ năng lượng dài, không hiệu quả, thông tin liên lạc có thể diễn ra theo các đường chuyền đa chặng được tạo thành từ các biên độ ngắn

Hình 3-1 Trường hợp truyền thông đa chặng: nút u phải truyền thông

tin đến nút v ở một khoảng cách d; sử dụng nút trung gian w

để chuyển tiếp thông tin từ nút u được ưa thích hơn trong

quan điểm tiêu thụ năng lượng.

Trang 40

nối hai điểm cuối của một biên độ dài Mục đích của điều khiển cấu hình là xác định và loại bỏ các biên độ năng lượng dài, không hiệu quả từ graph thông tin

3.2.

3.2 Điều khiển cấu hình và dung lượng mạng Điều khiển cấu hình và dung lượng mạng 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 tiện dùng chung: kênh

vô tuyến Việc sử dụng các phương tiện chia sẻ hàm ý rằng phải dành một

sự quan tâm đặc biệt nhằm tránh việc truyền thông tin chồng chéo lên nhau trong cùng một thời điểm

Một ví dụ điển hình về sư xung đột này được mô tả trong hình 3.2: nút u đang truyền dữ liệu đến nút v sử dụng một công suất truyền cụ thể là P; cùng lúc ấy, nút w cũng đang truyền dữ liệu đến nút z cũng sử dụng một công suất truyền P Vì δ(v,w) = < δ(v,u) = ^, công suất của tín hiệu giao

thoa do nút v nhận thì cao hơn công suất của đường truyền dự tính từ nút

u,1 và việc thu dữ liệu truyền từ nút u bị gián đoạn

1 Điều này đúng độc lập đối với mô hình tổn thất đường truyền tất định Trong trường hợp mô hình tổn thất đường truyền xác suất, phát biểu này giữ tính trung lập

Hình 3-2 Xung đột truyền phát vô tuyến Các hình tròn thể hiện khu

vực phủ sóng vô tuyến với công suất truyền P.

Định dạng
Số trang	87
Dung lượng	1,12 MB