Phân tích thiết kế hệ thống - tìm hiểu về mạng cảm biến

  • Số trang: 29 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 18 |
  • Lượt tải: 0
nganguyen

Đã đăng 34173 tài liệu

Mô tả:

ĐỒ ÁN: TÌM HIỂU VỀ MẠNG CẢM BIẾN Tìm hiểu về Mạng Cảm Biến Lời nói đầu Kính gửi đến quý thầy Bài tập lớn của nhóm chúng em, với đề tài được chọn là “Tìm hiểu về Mạng Cảm Biến “. Trong đề tài gồm 4 Chương: - Chương I: Sự phát tiển của Mạng Cảm Biến - Chương II: Cấu trúc & Kiến trúc giao thức - Chương III: Chọn đường tron WSN - Chương IV: Các kỷ thuật phân nhóm trong các mạng cảm biến vô tuyến Vì đề tài em được chọn là đề tài em đang theo học theo tiến trình học ở lớp nên em chưa thể đi sâu, những kiến thức tìm hiểu được, chưa được chi tiết. Vậy khi em gửi đề tài này đến thầy kính mong Cô xem xét, hướng dẫn thêm cho em! Với đề tài “Tìm hiểu về Mạng Cảm Biến “ em muốn hiểu rõ và sâu hơn về cấu trúc và nguyên tắc hoạt động của Mạng Cảm Biến. Đây là một phần rất quan trọng trong môn Truyền Số Liệu vì nó được ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Em xin chân thành cảm ơn sự nhiệt tình hướng dẫn của Cô Lê Nguyễn Mai Duyên, chính những điều đó đã giúp em được thuận lợi hơn trong quá trình làm đề tài. Sau khi thực hiện đề tài em đã thu được rất nhiều kiến thức bổ ích, thiết thực, góp phần rất lớn cho quá trình học và công việc của bản thân em sau này. Tuy nhiên, vì đây là đề tài mang tính chất tìm hiểu, kinh nghiệm trình bày một vấn đề, một đề tài chưa có nên chúng em không thể tránh khỏi những thiếu sót. Vậy em kính mong quý cô xem xét và góp ý cho em để em có thể hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn. Nhóm Sinh Viên thực hiện GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên -- 2 -- Lớp:K12T3 Tìm hiểu về Mạng Cảm Biến Chương 1: SỰ PHÁT TRIỂN CÙA MẠNG CẢM BIẾN Khái niệm Wireless Sensor Network (WSN) tương đối còn lạ lẫm đối với nhiều người làm việc trong lãnh vực Telecom. Thread này được sử dụng để giới thiệu tổng quan về hệ thống WSN và những ứng dụng của WSN (trong quân sự, công nghiệp và cuộc sống hằng ngày) 1. Giới thiệu 2. Đặc trưng và cấu hình mạng cảm biến 3. Môt số chuẩn mạng cảm biến 4. Ứng dụng của mạng cảm biến I. GIỚI THIỆU : Mạng cảm biến vô tuyến (WSN) có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các node với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến (RF connection) trong đó các node mạng thường là các (thiết bị) đơn giản , nhỏ gọn, giá thành thấp ... và có số lượng lớn, được phân bố một cách không có hệ thống (non-topology) trên một diện tích rộng (phạm vi hoạt động rộng), sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu dài (vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ ...). Các node mạng thường có chức năng sensing (sensor node): cảm ứng, quan sát môi trường xung quanh như;nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng ... theo dõi hay định vị các mục tiêu cố định hoặc di động ... Các node giao tiếp ad-hoc với nhau và truyền dữ liệu về trung tâm (base station) một cách gián tiếp bằng kỹ thuật multi-hop. Lưu lượng (traffic) dữ liệu lưu thông trong WSN là thấp và ko liên tục (không hẳn với tracking và localization aplication). Do vậy để tiết kiệm năng lượng, các sensor node thường có nhiều trạng thái hoạt động (active mode) và trạng thái nghỉ (sleep mode) khác nhau. Thông thường thời gian 1 node ở trạng thái nghỉ lớn hơn ở trạng thái hoạt động rất nhiều. Như vậy, đặc trưng cơ bản nhất để phân biệt 1 mạng cảm biến và 1 mạng wireless khác chính là giá thành, mật độ node mạng, phạm vi hoạt động, cấu hình mạng (topology), lưu lượng dữ liệu, năng lượng tiêu thụ và thời gian ở trạng thái hoạt động (active mode). II. ĐẶC TRƯNG VÀ CẤU HÌNH MẠNG CẢM BIẾN : Một node trong mạng WSN thông thường bao gồm 2 phần: phần cảm biến (sensor) hoặc điều khiển và phần giao tiếp vô tuyến (RF transceiver). Do số lượng node trong WSN là lớn và không cần các hoạt động bảo trì, nên yêu cầu thông thường đối với 1 node mạng là giá thành thấp (10 - 50 usd) và kích thước nhỏ gọn ( diện tích bề mặt vài đến vài chục cm2). Do giới hạn về nguồn năng lượng cung cấp (pin...), giá thành và yêu cầu hoạt động trong một thời gian dài, nên vấn đề tiêu thụ năng lượng là tiêu chí thiết kế quan trọng nhất trong mạng cảm biến: GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên -- 3 -- Lớp:K12T3 Tìm hiểu về Mạng Cảm Biến - Lớp vật lý (physical layer) tương đối đơn giản, gọn nhẹ do ràng buộc về kích thước và khả năng tính toán của node. Kỹ thuật điều chế tín hiệu số : O-QPSK, FSK cải thiện hiệu suất bộ khuếch đại công suất. Các kỹ thuật mã hóa sữa sai phức tạp như Turbo Codes, LDPC không được sử dụng, kỹ thuật trãi phổ được sử dụng để cải thiện SNR ở thiết bị thu và giảm tác động của fading của kênh truyền... - Lớp MAC: kỹ thuật đa trua cập TDMA hoặc CSMA-CA hiệu chỉnh với mục đích giảm năng lượng tiêu thụ. - Routing layer: "power aware" Routing Protocol, geography routing ... WSN thường được triển khai trên một phạm vi rộng, số lượng node mạng lớn và được phân bố một cách tương đối ngẫu nhiên, các node mạng có thể di chuyển làm thay đổi sơ đồ mạng... do vậy WSN đò hỏi 1 sơ đồ mạng (topology) linh động (ad-hoc, mesh, star ...) và các node mạng có khả năng tự điều chỉnh, tự cấu hình (autoreconfigurable). Trong một số WSN thông dụng (giám sát, cảm biến, môi trường ...) địa chỉ ID các node chính là vị trí địa lý và giải thuật routing dựa vào vị trí địa lý này gọi là Geography routing protocol (GRT). Đối với mạng với số lượng lớn các node, sơ đồ mạng không ổn định ... GRT giúp đơn giản hóa giải thuật tìm đường, giảm dữ liệu bảng routing (routing table) lưu trữ tại các node. GRT phù hợp với các WSN cố định, tuy nhiên đối với các node di động (địa chỉ ID node thay đổi) giao thức routing trở nên phức tạp và không ổn định. Cluster hoá: phân chia mạng diện rộng (hàng trăm, hàng ngàn node) thành các clusters để ổn định topology của mạng, đơn giản hóa giải thuật routing, giảm đụng độ (collission) khi truy cập vào kênh truyền (medium acess) nên giảm được năng lượng tiêu thụ , đơn giản hóa việc quản lý mạng và cấp phát địa chỉ cho từng node mạng (theo cluster). Do giới hạn khả năng tính toán của từng node mạng cũng như để tiết kiệm năng lượng, WSN thường sử dụng các phương pháp tính toán và xử lý tín hiệu phi tập trung (giảm tải cho node gần hết năng lượng) hoặc gửi dữ liệu cần tính toán cho các base station (có khả năng xử lý tín hiệu mạnh và ít ràng buộc về tiêu thụ năng lượng). ... III. MÔT SỐ CHUẨN MẠNG CẢM BIẾN : Do phạm vi ứng dụng cua WSN rất rộng lớn, tính chất, đặc trưng của mạng phụ thuộc vào ứng dụng triển khai cụ thể. Do vậy, các công ty, các phòng thí nghiệm vẫn thường phát triển, triển khai giao thức riêng (MAC, Routing, synchronisation ...) phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể dựa trên các thiết bị phần cứng (transceiver chip) trên thị trường. Một số chuẩn WSN được biết đến: ALOHA system (U. of Hawaii) PRNET system (U.S. Defense) WINS (U. of California) PicoRadio (U. of California) MicroAMPS (M.I.T) MANET (Mobile ad-hoc Network) Zigbee: dựa trên physical layer và MAC layer của chuẩn WPAN 802.15.4... GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên -- 4 -- Lớp:K12T3 Tìm hiểu về Mạng Cảm Biến IV. ỨNG DỤNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN : WSN được ứng dụng đầu tiên trong các lĩnh vực quân sự. Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp điều khiển tự động, robotic, thiết bị thông minh, môi trường, y tế ... WSN ngày càng được sử dụng nhiều trong hoạt động công nhiệp và dân dụng. Một số ứng dụng cơ bản của WSN: - Cảm biến môi trường (quân sự: phát hiện mìn, chất độc, dịch chuyển quân địch ... công nghiệp: hệ thống chiếu sáng, độ ẩm, phònh cháy, chống rò rỉ ... dân dụng: hệ thống điều hòa nhiệt độ, chiếu sáng ... ) - Điều khiển (quân sự: kích hoạt thiết bị, vũ khí quân sự ... công nghiệp: điều khiển tự động các thiết bị, robot ... ) - Theo dõi, giám sát, định vị (quân sự: định vị, theo dõi sự dịch chuyển thiết bị, quân đội ... ) - Môi trường (giám sát lũ lụt, bão, gió, mưa ... phát hiện ô nhiễm, chất thải ...) - Y tế (định vị, theo dõi bệnh nhân, hệ thống báo động khẩn cấp ...) - Hệ thống giao thông thông minh: giao tiếp giữa biển báo và phương tiện giao thông, hệ thống điều tiết lưu thông công cộng, hệ thống báo hiệu tai nạn, kẹt xe ... hệ thống định vị phương, trợ giúp điều khiển tự động phương tiện tiện giao thông... - Gia đình (nhà thônh minh: hệ thống cảm biến, giao tiếp và điều khiển các thiết bị thông minh ...) ... WSN tạo ra môi trường giao tiếp giữa các thiết bị thông minh, giữa các thiết bị thông minh và con người và giao tiếp giữa các thiết bị thông minh và các hệ thống viễn thông khác (hệ thống thông tin di động, internet ... ) GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên -- 5 -- Lớp:K12T3 Tìm hiểu về Mạng Cảm Biến Chương 2: CẤU TRÚC & KIẾN TRÚC GIAO THỨC Tóm tắt: Những tiến bộ gần đây trong thông tin vô tuyến và điện tử đã cho phép phát triển các mạng cảm biến giá thành thấp. Mạng cảm biến có thể được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau như chăm sóc sức khoẻ, trong quân sự hoặc sử dụng trong gia đình. Mạng cảm biến vô tuyến (WSN) bao gồm các nút nhỏ có khả năng cảm biến, tính toán và trao đổi thông tin vô tuyến. Một số giao thức chọn đường, quản lý công suất và trao đổi số liệu đã được thiết kế cho WSN với yêu cầu quan trọng nhất là tiết kiệm được năng lượng. Các giao thức chọn đường trong WSN có thể khác nhau tuỳ theo ứng dụng và cấu trúc mạng. Bài báo này sẽ trình bày về cấu trúc mạng và phương pháp chọn đường trong WSN. Nói chung, các giao thức chọn đường được chia thành 3 loại dựa vào cấu trúc mạng: ngang hàng, phân cấp hoặc dựa vào vị trí. Ngoài ra, những giao thức này có thể được phân loại dựa theo đa đường, yêu cầu, hỏi/đáp, QoS và liên kết tuỳ thuộc vào chế độ hoạt động. Bài báo cũng đánh giá chỉ tiêu về mức tiêu thụ công suất và ảnh hưởng của phân bố nút cho giao thức chọn đường LEACH của WSN (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy-Phân cấp nhóm thích ứng công suất thấp). I. GIỚI THIỆU : Một mạng cảm biến bao gồm số lượng lớn các nút cảm biến được phân bố cả bên trong hiện tượng hoặc phân bố bên cạnh hiện tượng. Vị trí của các nút cảm biến không cần phải thiết kế hoặc xác định trước. Điều này cho phép phân bố ngẫu nhiên trong các địa hình phức tạp hoặc các hoạt động trợ giúp thảm hoạ. Mặt khác, cũng có nghĩa là các giao thức của mạng cảm biến và các thuật toán phải có khả năng tự tổ chức. Một đặc điểm quan trọng khác của các mạng cảm biến là khả năng phối hợp giữa các nút cảm biến. Các nút cảm biến được gắn một bộ xử lý bên trong. Thay vì gửi đi số liệu thô tới nút đích, chúng sử dụng khả năng xử lý để thực hiện các tính toán đơn giản và chỉ truyền số liệu đã được xử lý theo yêu cầu. Chọn đường trong WSN rất khó khăn do các đặc tính riêng phân biệt những mạng này với các mạng vô tuyến khác như các mạng ad-hoc hoặc các mạng tế bào. Trước hết, do số lượng nút cảm biến là khá lớn nên không thể xây dựng một quy tắc cho địa chỉ toàn cục khi triển khai vì phần điều khiển cho việc thiết lập ID là cao. Vì vậy, các giao thức dựa trên IP truyền thống có thể không áp dụng được cho WSN. Thứ hai, khác với các mạng thông tin nói chung, hầu hết các ứng dụng của mạng cảm biến yêu cầu truyền số liệu cảm biến từ nhiều nguồn tới một nút gốc. Thứ ba, các nút cảm biến bị hạn chế về công suất, khả năng xử lý và dung lượng nhớ. Thứ tư, trong hầu hết các ứng dụng, các nút trong WSN thường có vị trí cố định. Tuy nhiên, trong một số ứng dụng, các nút cảm biến có thể được phép di chuyển và thay đổi vị trí (mặc dù với độ di chuyển rất thấp). Thứ năm, các mạng cảm biến thường phụ thuộc vào ứng dụng. Thứ sáu, vị trí của các nút cảm biến đóng vai trò quan trọng vì việc lựa chọn số liệu thường dựa vào vị trí. Hiện nay chưa thích hợp cho việc sử dụng các phần cứng của hệ thống định vị toàn cầu (GPS) cho mục đích này. Các phương pháp xác định vị trí của các nút GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên -- 6 -- Lớp:K12T3 Tìm hiểu về Mạng Cảm Biến cảm biến thường dựa vào cường độ tín hiệu từ một số điểm xác định. Cuối cùng, số liệu được lựa chọn bởi các nút cảm biến trong WSN thường dựa vào hiện tượng chung, do đó sẽ có độ dư thừa. Các giao thức chọn đường phải khắc phục được độ dư thừa này để sử dụng hiệu quả băng thông. Tóm lại, phương pháp chọn đường trong WSN cần phải quan tâm đến các đặc tính riêng của WSN cùng với các yêu cầu về ứng dụng và cấu trúc. II. CẤU TRÚC MẠNG CẢM BIẾN VÔ TUYẾN : Các nút cảm biến thường được phân bố trong trường cảm biến như hình 1. Mỗi nút cảm biến có khả năng thu thập số liệu và chọn đường để chuyển số liệu tới nút gốc. Việc chọn đường tới nút gốc theo đa bước nhảy được minh hoạ trong hình 1. Nút gốc có thể liên lạc với nút quản lý nhiệm vụ thông qua Internet hoặc vệ tinh. Việc thiết kế mạng cảm biến như mô tả trong hình 1 phụ thuộc vào nhiều yếu tố như khả năng chống lỗi, giá thành sản phẩm, môi trường hoạt động, cấu hình mạng cảm biến, tích hợp phần cứng, môi trường truyền dẫn và tiêu thụ công suất. Hình 1: Phân bố nút cảm biến trong trường cảm biến III. KIẾN TRÚC GIAO THỨC MẠNG : Kiến trúc giao thức được sử dụng bởi nút gốc và các nút cảm biến ở hình 1 được trình bày trong hình 2. Kiến trúc giao thức này kết hợp giữa công suất và chọn đường, kết hợp số liệu với các giao thức mạng, sử dụng công suất hiệu quả với môi trường vô tuyến và sự tương tác giữa các nút cảm biến. Kiến trúc giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liên kết số liệu, lớp mạng, lớp truyền tải, lớp ứng dụng, phần quản lý công suất, phần quản lý di động và phần quản lý nhiệm vụ. Lớp vật lý cung cấp các kỹ thuật điều chế, phát và thu. Vì môi trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả năng tối thiểu hoá việc va chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận. Lớp mạng quan tâm đến việc chọn đường số liệu được cung cấp bởi lớp truyền tải. Lớp truyền tải giúp duy trì luồng số liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu. Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng khác nhau có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng. Ngoài ra, các phần quản lý công suất, di chuyển và nhiệm vụ sẽ giám sát việc sử dụng công suất, sự di chuyển và thực hiện nhiệm vụ giữa các nút GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên -- 7 -- Lớp:K12T3 Tìm hiểu về Mạng Cảm Biến cảm biến. Những phần này giúp các nút cảm biến phối hợp nhiệm vụ cảm biến và tiêu thụ công suất tổng thể thấp hơn. Hình 2: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến Phần quản lý công suất điều khiển việc sử dụng công suất của nút cảm biến. Ví dụ, nút cảm biến có thể tắt khối thu của nó sau khi thu được một bản tin từ một nút lân cận. Điều này giúp tránh tạo ra các bản tin giống nhau. Cũng vậy, khi mức công suất của nút cảm biến thấp, nút cảm biến phát quảng bá tới các nút lân cận để thông báo nó có mức công suất thấp và không thể tham gia vào các bản tin chọn đường. Công suất còn lại sẽ được dành riêng cho nhiệm vụ cảm biến. Phần quản lý di động phát hiện và ghi lại sự di chuyển của các nút cảm biến để duy trì tuyến tới người sử dụng và các nút cảm biến có thể lưu vết của các nút cảm biến lân cận. Nhờ xác định được các nút cảm biến lân cận, các nút cảm biến có thể cân bằng giữa công suất của nó và nhiệm vụ thực hiện. Phần quản lý nhiệm vụ dùng để làm cân bằng và lên kế hoạch các nhiệm vụ cảm biến trong một vùng xác định. Không phải tất cả các nút cảm biến trong vùng đó điều phải thực hiện nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời điểm. Kết quả là một số nút cảm biến thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức công suất của nó. Những phần quản lý này là cần thết để các nút cảm biến có thể làm việc cùng nhau theo một cách thức sử dụng hiệu quả công suất, chọn đường số liệu trong mạng cảm biến di động và phân chia tài nguyên giữa các nút cảm biến. GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên -- 8 -- Lớp:K12T3 Tìm hiểu về Mạng Cảm Biến Chương 3: CHỌN ĐƯỜNG TRONG WSN I. Thách thức đối với phương pháp chọn đường trong WSN : Mặc dù các ứng dụng của mạng WSN là rất lớn, tuy nhiên những mạng này có một số hạn chế như giới hạn về nguồn công suất, khả năng tính toán và độ rộng băng thông. Một trong những mục tiêu thiết kế chính của WSN là kéo dài thời gian sống của mạng và tránh suy giảm kết nối nhờ các kỹ thuật quản lý năng lượng. Việc thiết kế các giao thức chọn đường trong WSN bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố. Vấn đề này phải được giải quyết triệt để thì mới đạt được hiệu quả truyền tin trong WSN. Dưới đây sẽ tóm tắt một số khó khăn trong vấn đề chọn đường và thiết kế trong mạng WSN. Phân bố nút: Việc phân bố nút trong WSN phụ thuộc vào ứng dụng và có thể được thực hiện bằng tay hoặc phân bố ngẫu nhiên. Khi phân bố bằng tay, số liệu được chọn đường thông qua các đường xác định trước. Tuy nhiên khi phân bố các nút ngẫu nhiên sẽ tạo ra một cấu trúc chọn đường đặc biệt (ad-hoc). Liên lạc giữa các nút cảm biến thường có cự ly ngắn do các hạn chế về năng lượng và băng thông. Do đó việc chọn đường sẽ thực hiện qua nhiều bước nhảy. Tiêu thụ năng lượng không được làm mất độ chính xác: Các nút cảm biến có thể sử dụng quá các giới hạn về công suất để thực hiện tính toán và truyền tin trong môi trường vô tuyến. Thời gian sống của nút cảm biến phụ thuộc rất nhiều vào thời gian sử dụng của pin [1]. Trong WSN đa bước nhảy, mỗi nút đóng hai vai trò là truyền số liệu và chọn đường. Một số nút cảm biến hoạt động sai chức năng do lỗi nguồn công suất có thể gây ra sự thay đổi cấu hình mạng nghiêm trọng và phải chọn đường lại các gói hoặc tổ chức lại mạng. Phương pháp báo cáo số liệu: Việc báo cáo số liệu trong WSN phụ thuộc vào ứng dụng và có thể được chia thành báo cáo theo thời gian, theo sự kiện, theo yêu cầu hoặc lai ghép những phương pháp này. Phương pháp báo cáo theo thời gian phù hợp với các ứng dụng yêu cầu giám sát số liệu định kỳ. Khi đó, các nút cảm biến sẽ bật bộ phận cảm biến và bộ phận phát theo định kỳ, cảm nhận môi trường, phát số liệu yêu cầu theo chu kỳ thời gian xác định. Trong phương pháp báo cáo theo sự kiện và theo yêu cầu, các nút cảm biến sẽ phản ứng tức thì đối với những thay đổi giá trị của thuộc tính cảm biến do xuất hiện một sự kiện xác định nào đó hoặc để trả lời một yêu cầu được tạo ra bởi nút gốc hay các nút khác trong mạng. Do vậy, những phương pháp này phù hợp với các ứng dụng phụ thuộc thời gian. Cũng có thể sử dụng kết hợp các phương pháp trên. Giao thức chọn đường chịu ảnh hưởng đáng kể từ phương pháp báo cáo số liệu về vấn đề sử dụng năng lượng và chọn đường. Tính không đồng nhất của nút/tuyến: Trong nhiều nghiên cứu, tất cả các nút cảm biến được giả thiết là đồng nhất (nghĩa là có khả năng tính toán, khả năng truyền tin và có công suất như nhau). Tuy nhiên, tuỳ theo ứng dụng mà nút cảm có thể có vai trò hoặc khả năng khác nhau. Các nút cảm biến không đồng nhất tạo ra một số vấn đề kỹ thuật liên quan đến chọn đường. Ví dụ, một số ứng dụng có thể cần kết hợp các bộ GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên -- 9 -- Lớp:K12T3 Tìm hiểu về Mạng Cảm Biến cảm biến để giám sát nhiệt độ, áp suất, độ ẩm của môi trường, phát hiện chuyển động nhờ âm thanh, chụp ảnh hoặc ghi hình các vật chuyển động. Ngoài ra, việc đọc hoặc báo cáo số liệu từ những bộ cảm biến này có thể có tốc độ khác nhau tuỳ theo QoS và có thể thuộc nhiều mô hình báo cáo số liệu khác nhau. Ví dụ, các giao thức phân cấp chỉ rõ nút chủ nhóm khác so với các nút cảm biến bình thường khác. Những nút chủ nhóm này có thể được chọn từ các nút cảm biến phân bố hoặc các nút mạnh hơn các nút cảm biến khác về công suất, băng thông và bộ nhớ. Do đó, nhiệm vụ truyền tin tới nút gốc được tập trung bởi một nhóm các nút chủ nhóm. Khả năng chống lỗi: Một số nút cảm biến có thể bị lỗi hoặc bị ngắt do thiếu công suất, hỏng phần cứng hoặc bị nhiễu môi trường. Sự cố của các nút cảm biến không được ảnh hưởng tới nhiệm vụ của toàn mạng cảm biến. Nếu có nhiều nút bị lỗi, các giao thức chọn đường hoặc điều khiển truy nhập môi trường (MAC) phải thành cập các tuyến mới tới nút gốc. Việc này có thể cần thiết phải điều chỉnh công suất phát và tốc độ tín hiệu trên các tuyến hiện tại để giảm sự tiêu thụ năng lượng hoặc là các gói phải chọn đường lại qua các vùng mạng có công suất khả dụng lớn hơn. Khả năng định cỡ: số lượng nút cảm biến có thể là hàng trăm, hàng nghìn hoặc nhiều hơn. Bất kỳ phương pháp chọn đường nào cũng phải có khả năng làm việc với một số lượng lớn các nút cảm biến như vậy. Tính động của mạng: Trong nhiều nghiên cứu, các nút cảm biến được giả thiết là cố định. Tuy nhiên trong một số ứng dụng, cả nút gốc và các nút cảm biến có thể di chuyển [2]. Khi đó các bản tin chọn đường từ hoặc tới các nút di chuyển sẽ gặp phải các vấn đề như đường liên lạc, cấu hình mạng, năng lượng, độ rộng băng... Tuy nhiên, đối tượng thì có thể di chuyển (ví dụ ứng dụng dò tìm/theo dõi mục tiêu). Các sự kiện cố định thì cho phép mạng làm việc ở chế độ phản ứng (tạo lưu lượng khi cần báo cáo) trong khi các sự kiện chuyển động thì trong hầu hết các ứng dụng đều yêu cầu phải báo cáo định kỳ cho nút gốc. Môi trường truyền dẫn: Trong mạng cảm biến đa bước nhảy, các nút thông tin được kết nối qua môi trường vô tuyến. Các đặc tính của kênh vô tuyến như pha đinh, tỷ lệ lỗi cũng có thể ảnh hưởng đến hoạt động của mạng cảm biến. Nói chung, độ rộng băng yêu cầu của số liệu cảm biến là thấp, khoảng từ 1-100 kb/s. Liên quan đến môi trường truyền dẫn là việc thiết kế MAC. Một phương pháp thiết kế MAC cho các mạng cảm biến là sử dụng các giao thức đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) sẽ tiết kiệm năng lượng hơn so với các giao thức đa truy nhập khác như đa truy nhập theo sóng mang (CSMA) (ví dụ IEEE 802.11). Công nghệ Bluetooth [3] cũng có thể được sử dụng. Khả năng giám sát: Trong WSN, mỗi nút cảm biến giám sát một vùng xác định. Vùng giám sát môi trường của nút cảm biến bị giới hạn bởi cự ly và độ chính xác, nó có thể chỉ giám sát một phạm vi rất nhỏ. Do đó, vùng giám sát cũng là một tham số thiết kế quan trọng trong WSN. Kết hợp số liệu: Vì các nút cảm biến có thể tạo ra số liệu dư thừa nên các gói tương tự nhau từ nhiều nút có thể được kết hợp lại để giảm số lượng truyền dẫn. Việc kết hợp số liệu là từ nhiều nguồn khác nhau theo một hàm kết hợp xác định. Kỹ thuật GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên -- 10 -- Lớp:K12T3 Tìm hiểu về Mạng Cảm Biến này được sử dụng để đạt hiệu quả về năng lượng và tối ưu hoá việc truyền số liệu trong một số giao thức chọn đường. Chất lượng dịch vụ: Trong một số ứng dụng, số liệu có thể được phân phối trong một khoảng thời gian xác định ngay khi nó cảm nhận được hiện tượng nếu không số liệu sẽ trở nên vô dụng. Vì vậy, giới hạn trễ của việc phân phối số liệu là một chỉ tiêu khác trong các ứng dụng phụ thuộc thời gian. Tuy nhiên trong một số ứng dụng khác thì việc tiêu thụ công suất (ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian sống của mạng) lại quan trọng hơn. Khi năng lượng gần hết, mạng có thể yêu cầu giảm chất lượng các kết quả để giảm mức tiêu thụ năng lượng của nút và kéo dài thời gian sống của toàn mạng. II.Phân loại và so sánh các giao thức chọn đường trong WSN Nói chung, việc chọn đường trong WSN có thể được chia thành chọn đường ngang hàng, chọn đường phân cấp và chọn đường dựa theo vị trí tuỳ thuộc vào cấu trúc mạng. Trong chọn đường ngang hàng, tất cả các nút thường có vai trò hoặc chức năng như nhau. Trong chọn đường phân cấp, các nút sẽ đóng vai trò khác nhau trong mạng. Trong chọn đường dựa theo vị trí thì vị trí của các nút cảm biến được sử dụng để chọn đường số liệu. Một giao thức chọn đường được coi là thích ứng nếu các tham số của hệ thống có thể điều khiển được để thích ứng với các trạng thái mạng hiện tại và các mức năng lượng khả dụng. Những giao thức này cũng có thể được chia thành các giao thức chọn đường đa đường, yêu cầu, hỏi/đáp, liên kết hoặc dựa vào QoS tuỳ theo cơ chế hoạt động của giao thức. Ngoài ra, các giao thức chọn đường có thể được chia thành ba loại là chủ động, tương tác hoặc lai ghép tuỳ thuộc vào cách thức mà nguồn tìm đường tới đích. Trong các giao thức chủ động, tất cả các đường được tính toán trước khi có yêu cầu, trong khi đối với các giao thức tương tác thì các đường được tính toán theo yêu cầu. Các giao thức lai ghép kết hợp cả hai quy tắc ở trên. Khi các nút cảm biến cố định, nó thích hợp với các giao thức chọn đường theo bảng hơn là với các giao thức tương tác. Một lượng công suất đáng kể được sử dụng để tìm đường và thiết lập các giao thức tương tác. Một số giao thức khác dựa vào định thời và thông tin vị trí. Để khái quát, có thể sử dụng phân loại theo cấu trúc mạng và cơ chế hoạt động của giao thức (tiêu chuẩn chọn đường) . Việc phân loại và so sánh các giao thức chọn đường trong WSN được chỉ ra trong hình 3 và bảng 1. Hình 3: Phân loại giao thức chọn đường trong WSN Bảng 1: Phân loại và so sánh các giao thức chọn đường trong mạng cảm biến vô tuyến GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên -- 11 -- Lớp:K12T3 Tìm hiểu về Mạng Cảm Biến GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên -- 12 -- Lớp:K12T3 Tìm hiểu về Mạng Cảm Biến III. Đánh giá chỉ tiêu giao thức chọn đường LEACH Giao thức chọn đường LEACH Heinzelman [1] đã giới thiệu một giao thức phân cấp theo nhóm cho phép tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến được gọi là phân cấp nhóm thích ứng công suất thấp (LEACH). Mục đích của LEACH là lựa chọn ngẫu nhiên các nút cảm biến làm các nút chủ, do đó việc tiêu hao năng lượng khi liên lạc với nút gốc được trải đều cho tất cả các nút cảm biến trong mạng. Quá trình hoạt động của LEACH được chia thành hai bước là bước thiết lập và bước ổn định. Thời gian của bước ổn định kéo dài hơn so với thời gian của bước thiết lập để giảm thiểu phần điều khiển. Trong bước thiết lập, một nút cảm biến lựa chọn một số ngẫu nhiên giữa 0 và 1. Nếu số này nhỏ hơn ngưỡng T(n) thì nút cảm biến là nút chủ. T(n) được tính như sau: (1) trong đó P là tỷ lệ phần trăm nút chủ, r chu kỳ hiện thời, và G là tập các nút không được lựa chọn là nút chủ trong 1/P chu kỳ cuối cùng. Sau khi các nút chủ được lựa chọn, những nút này sẽ thông báo tới tất cả các nút cảm biến trong mạng rằng chúng là các nút chủ mới. Khi các nút cảm biến thu được thông báo, chúng xác định nhóm mà chúng sẽ tham gia dựa theo cường độ tín hiệu của thông báo từ các nút chủ tới các nút cảm biến. Những nút cảm biến này sẽ khai báo với nút chủ thích hợp rằng chúng sẽ là thành viên của nhóm. Sau đó các nút chủ ấn định thời gian cho các nút cảm biến gửi số liệu tới các nút chủ theo phương pháp TDMA. Trong bước ổn định, các nút cảm biến có thể bắt đầu truyền số liệu tới các nút chủ. Các nút chủ cũng tập hợp số liệu từ các nút trong nhóm của nó trước khi gửi những số liệu này tới nút gốc. Sau một thời gian quy định cho bước ổn định, mạng lại tiếp tục bước thiết lập và bước sang một chu kỳ khác trong việc lựa chọn nút chủ Mô hình hoá Việc mô phỏng giao thức LEACH được thực hiện bằng phần mềm Visual C++ vì đây là một ngôn ngữ lập trình mạnh Thuật toán mô phỏng dựa vào cơ chế hoạt động của giao thức phân cấp nhóm thích ứng công suất thấp (LEACH) là sử dụng bước phân nhóm trước khi truyền số liệu. Một nút cảm biến được chọn làm nút chủ nhóm và sẽ truyền tất cả số liệu của các nút cảm biến thuộc nhóm đó tới nút gốc. Đây là điểm khác biệt so với các phương pháp thông thường mà mỗi nút cảm biến sẽ truyền trực tiếp tới nút gốc. Giao thức LEACH giúp kéo dài thời gian sống của mạng bằng cách tối thiểu hoá năng lượng sử dụng của mỗi nút cảm biến nhờ vào việc kết hợp số liệu Lưu đồ quá trình thiết lập như sau: GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên -- 13 -- Lớp:K12T3 Tìm hiểu về Mạng Cảm Biến Lưu đồ quá trình ổn định như sau: Kết quả và đánh giá Đánh giá về mức tiêu thụ công suất Hình 4 là kết quả mô phỏng là cho trường hợp mạng WSN gồm 160 nút phân bố đều, công suất ban đầu của nút là 3,0, sử dụng giao thức LEACH và Truyền trực tiếp tới nút gốc. Từ đó có thể thấy rằng số nút truyền tin kết thúc sau khoảng 470 chu kỳ thời gian đối với trường hợp truyền trực tiếp và sau khoảng 685 chu kỳ thời gian đối với trường hợp sử dụng giao thức LEACH. Do đó có thể rút ra nhận xét là sử dụng giao thức LEACH sẽ tiết kiệm công suất hơn so với truyền trực tiếp đến nút gốc. GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên -- 14 -- Lớp:K12T3 Tìm hiểu về Mạng Cảm Biến Hình 4: Khảo sát số nút truyền tin theo thời gian với 160 nút, phân bố đều, công suất ban đầu là 3,0 Ảnh hưởng của phân bố nút tới sự tiêu thụ công suất của mạng Hình 5 là kết quả mô phỏng là cho trường hợp mạng WSN gồm 160 nút phân bố không đều, công suất ban đầu của nút là 3,0, sử dụng giao thức LEACH và Truyền trực tiếp tới nút gốc. Từ đó có thể thấy rằng số nút truyền tin kết thúc sau khoảng 430 chu kỳ thời gian đối với trường hợp truyền trực tiếp và và sau khoảng 680 chu kỳ thời gian đối với trường hợp sử dụng giao thức LEACH. So sánh với trường hợp trong hình 4 có thể rút ra nhận xét là phân bố nút cũng ảnh hưởng đến công suất tiêu thụ của mạng. Tuy nhiên, ảnh hưởng này là không nhiều. Hình 5: Khảo sát số nút truyền tin theo thời gian với 160 nút, phân bố không đều, công suất ban đầu là 3,0. GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên -- 15 -- Lớp:K12T3 Tìm hiểu về Mạng Cảm Biến Tổng quát : Các đặc tính như độ linh động, chi phí thấp, triển khai nhanh chóng... của các mạng cảm biến đã tạo ra rất nhiều ứng dụng mới. Trong tương lai, phạm vi ứng dụng rộng lớn này sẽ làm cho các mạng cảm biến trở thành một phần quan trọng trong cuộc sống của chúng ta. Tuy nhiên, việc thực hiện các mạng cảm biến cần phải giải quyết được các vấn đề về khả năng chống lỗi, định cỡ, chi phí, phần cứng, thay đổi cấu hình , môi trường và công suất. Do những giới hạn chặt chẽ và mang tính đặc thù của các mạng cảm biến nên cần thiết phải có các kỹ thuật mạng vô tuyến đặc biệt (ad-hoc) mới. Chọn đường trong các mạng cảm biến là một lĩnh vực mới, các kết quả nghiên cứu còn chưa nhiều nhưng đang rất được quan tâm phát triển. Những kỹ thuật này có mục tiêu chung là kéo dài thời gian sống của mạng. Các giao thức chọn đường được phân loại dựa vào cấu trúc mạng gồm có các giao thức chọn đường ngang hàng, phân cấp và theo vị trí. Ngoài ra, các giao thức chọn đường còn được phân loại theo đa đường, theo yêu cầu, theo hỏi/đáp và theo QoS phụ thuộc vào cơ chế hoạt động của nó. Các kết quả mô phỏng giao thức LEACH của mạng WSN cho thấy đây là một phương pháp chọn đường phân cấp có khả năng tiết kiệm được công suất sử dụng và kéo dài thời gian sống của mạng cảm biến. Tuy nhiên, cơ chế hoạt động của giao thức LEACH là lựa chọn số liệu được tập trung và thực hiện theo chu kỳ. Do đó, giao thức này chỉ thích hợp với yêu cầu giám sát liên tục bởi mạng cảm biến. Với ứng dụng mà người sử dụng không cần tất cả số liệu ngay lập tức thì việc truyền số liệu theo chu kỳ là không cần thiết và có thể làm tiêu tốn năng lượng vô ích. Giao thức LEACH cần tiếp tục được cải tiến để khắc phục hạn chế này. GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên -- 16 -- Lớp:K12T3 Tìm hiểu về Mạng Cảm Biến Chương 4: CÁC KỸ THUẬT PHÂN NHÓM TRONG CÁC MẠNG CẢM BIẾN VÔ TUYẾN I. GIỚI THIỆU CHUNG Trong những năm gần đây, rất nhiều mạng cảm biến vô tuyến đã và đang được phát triển và triển khai cho nhiều các ứng dụng khác nhau như: theo dõi sự thay đổi của môi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hoá học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, theo dấu và giám sát các bác sỹ, bệnh nhân cũng như quản lý thuốc trong các bệnh viên, phát hiện và theo dấu các phương tiện xe cộ… Một mạng cảm biến vô tuyến diện rộng bao gồm nhiều nút cảm biến nhỏ có giá thành thấp, và tiêu thụ năng lượng ít. Thông qua các kết nối vô tuyến, số liệu thu thập được từ các nút cảm biến sẽ được gửi đến một trạm gốc gần nhất, rồi sau đó, các số liệu này lại được chuyển tới các trung tâm xử lý dữ liệu cho các bước phân tích tiếp theo. Một trong những yếu điểm hạn chế liên quan đến thời gian tồn tại của các mạng cảm biến không dây chính là những nguồn năng lượng giới hạn phục vụ cho hoạt động của các nút cảm biến được triển khai trong mạng. Để đạt được hiệu quả sử dụng năng lượng cao và duy trì thời gian hoạt động lâu dài của mạng, các nút cảm biến thường được tổ chức phân bậc bằng cách gộp chúng lại thành các nhóm riêng biệt mà ở đó số liệu được thu thập và xử lý nội bộ tại các nút chính (cluster head nodes) trước khi chúng được gửi về một trạm gốc nào đó. Cấu trúc của mạng cảm biến không dây có phân nhóm được minh họa ở hình vẽ dưới đây. Hình 1: Cấu trúc mạng cảm biến không dây phân nhóm GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên -- 17 -- Lớp:K12T3 Tìm hiểu về Mạng Cảm Biến Như vậy, việc phân nhóm hình thành nên một cấu trúc phân cấp 2 mức mà ở đó các nút chính hình thành nên một bậc cao còn các nút thành viên của nhóm thuộc về một bậc thấp hơn. Lưu ý rằng, các nút trong một nhóm không truyền số liệu mà chúng thu thập được về trực tiếp trạm gốc mà phải thông qua nút chính của nhóm. Nút chính có nhiệm vụ: • Điều phối hoạt động giữa các nút trong nhóm và thu thập số liệu của các nút (Vì các nút có thể tạo ra các số liệu trùng lặp và thừa. Số liệu giống nhau từ nhiều nút có thể được tập hợp lại, sắp xếp, lọc loại bỏ số liệu thừa trùng lặp với mục đích giảm số lần truyền dẫn). • Truyền trực tiếp các số liệu đã được tập hợp, tinh lọc về trạm gốc hoặc thông qua truyền dẫn nhiều chặng (multi-hop) nghĩa là qua các nút chính khác. Trên thực tế, thông tin trao đổi giữa các nút trong một nhóm cũng như giữa các nhóm khác nhau có thể được tổ chức như là một sự kết hợp giữa trao đổi thông tin một chặng (one-hop) và nhiều chặng. Ở trao đổi thông tin bằng một chặng, tất cả các nút cảm biến đều có thể trực tiếp truyền số liệu về đích, trong khi đó ở trao đổi thông tin qua nhiều chặng, các nút có phạm vi truyền dẫn hạn chế và do đó buộc phải định tuyến việc truyền số liệu của chúng qua một số chặng cho đến khi số liệu được truyền tới đích. Trong cả hai phương thức, có một vấn đề không thể tránh được đó là sự phân bố năng lượng tiêu thụ không đều giữa các nút. Điều này dẫn đến tình trạng một số nút bị mất năng lượng với tốc độ cao hơn, nhanh bị dừng hoạt động hơn một số nút khác và có thể làm giảm phạm vi cảm biến và chia cắt mạng. Đối với trao đổi thông tin một chặng, các nút xa trạm gốc thường là những nút ở trong tình trạng nguy cấp nhất do thiếu năng lượng hoạt động, trong khi ở trao đổi thông tin nhiều chặng, các nút gần trạm gốc nhất thường phải gánh chịu nhiều lưu lượng tải và thường bị dừng hoạt động trước tiên (đây là một vấn đề khá nguy hiểm và nghiêm trọng – “hot spot”). Các mạng cảm biến có phân nhóm có thể được phân chia thành các mạng không đồng nhất và các mạng đồng nhất tương ứng với kiểu và chức năng của các nút trong mạng. Với mạng đồng nhất, tất cả các nút đều có các khả năng xử lý và cấu trúc phần cứng như nhau. Vai trò của nút chính được hoán chuyển vòng tròn theo chu kỳ giữa các nút để cân bằng tải. Mặc dù hoán chuyển vòng tròn vai trò các nút chính để đảm bảo các nút cảm biến tiêu thụ năng lượng đồng đều hơn, nhưng vấn đề “hot spot” đã nêu ra ở trên không thể tránh khỏi hoàn toàn. Trong các mạng không đồng nhất, một số lượng nhất định các nút có những khả năng xử lý cao hơn và độ phức tạp phần cứng lớn hơn được triển khai trên toàn mạng cùng với một số các nút cảm biến thông thường khác. Đối với các nút chính, nhiều năng lượng hơn cần phải tiêu thụ để thực hiện một vài chức năng nào đó và chúng phục vụ như là các bộ thu thập số liệu và các trung tâm xử lý cho những số liệu thu thập bởi các nút cảm biến. Vì các mạng không đồng nhất cấp phát các nút chính ở dạng tĩnh, thời gian hoạt động của mạng được xác định phụ thuộc vào thời gian chức năng của các nút chính mà có liên quan trực tiếp tới hoạt động của nút chính và tiêu thụ năng lượng. Các nút chính có thể hình thành nên một mạng đường trục và sử dụng định tuyến nhiều chặng để định hướng số liệu tới trạm gốc. Hiện tượng “hot - spot” xảy ra trong mạng khi mà các nút chính sử dụng năng lượng cung cấp ở tốc độ cao hơn và ngừng hoạt động nhanh hơn các nút chính khác. Việc quản lý lưu lượng tải trở nên cần thiết để ngăn ngừa vấn đề suy giảm nguồn năng lượng cung cấp trước cho riêng từng nút chính của mạng. GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên -- 18 -- Lớp:K12T3 Tìm hiểu về Mạng Cảm Biến Các vị trí của các nút chính trên mạng có ảnh hưởng đến tiêu thụ năng lượng tổng cộng của tất cả các nút. Các nút chính có thể được phân tán trong trường cảm biến một cách ngẫu nhiên hoặc chúng có thể được triển khai theo một cách thức xác định trước. Trong trường hợp sau, ví dụ, các nút mạng có khả năng di chuyển và do vậy có thể thay đổi các vị trí của chúng cho tới khi chúng tới được một vài vị trí được xác định trước. Mặc dầu một mạng cảm biến không đồng nhất và được triển khai ngẫu nhiên là rất phổ biến và dễ dàng thực hiện, nhưng có nhiều khó khăn hơn để điều khiển kích cỡ thực sự của các nhóm và cân bằng có hiệu quả lưu lượng giữa các nút chính của nhóm. Do đó, vấn đề hot spot có thể dễ dàng nảy sinh do có sự tiêu thụ quá năng lượng ở một nút chính nào đó. Tuy còn có nhiều thảo luận liên quan đến vấn đề tiêu thụ và bảo toàn năng lượng, mạng cảm biến không dây phân nhóm có hai ưu điểm chính so với mạng không có sự phân nhóm: • Mạng cảm biến không dây phân nhóm có khả năng làm giảm khối lượng thông tin trao đổi giữa các nút bằng việc khoanh vùng truyền dẫn số liệu trong phạm vi các nhóm và quan trọng hơn bằng việc giảm đáng kể số lượng truyền dẫn về trạm gốc. • Mạng cảm biến không dây phân nhóm có khả năng gia tăng thời gian không làm việc của các nút cảm biến qua việc cho phép các nút chính được điều phối và tối ưu các hoạt động của các nút thành viên. II. PHÂN LOẠI CÁC KỸ THUẬT PHÂN NHÓM TRONG CÁC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY : Như đã phân tích ở trên, chúng ta thấy các nút chính thường phải truyền số liệu qua những khoảng cách xa và xử lý nhiều công việc khác nhau trong nhóm, nên chúng thường mất nhiều năng lượng hơn các nút thành viên khác. Do vậy mạng phải tái phân nhóm định kỳ để lựa chọn các nút có dư thừa năng lượng hơn làm nút chính của các nhóm và phân bố lưu lượng tải đều hơn cho toàn bộ các nút. Ngoài việc đạt được hiệu quả về sử dụng năng lượng, phân nhóm còn làm giảm sự tranh chấp kênh, xung đột gói và làm cho thông lượng của mạng tốt hơn ngay cả khi có lưu lượng tải cao. Phân nhóm được xem như là một giải pháp làm cải thiện “thời gian hoạt động của mạng” – một tham số cơ bản cho việc đánh giá hiệu năng của một mạng cảm biến. Mặc dầu vẫn chưa có định nghĩa thống nhất về “thời gian hoạt động của mạng” vì khái niệm này phụ thuộc mục tiêu của ứng dụng, các định nghĩa chung bao gồm thời gian cho đến khi nút đầu tiên/cuối cùng xả hết năng lượng của nó và thời gian cho đến khi nút không được kết nối với trạm gốc nữa. Lưu ý rằng, thậm trí mục tiêu của một số giao thức không phải để làm tối đa “thời gian hoạt động của mạng”. Các cải thiện về “thời gian hoạt động của mạng” có thể vẫn đạt được nếu việc thu thập số liệu được khai thác và mạng được tái phân lớp theo định kỳ. Phân nhóm được nghiên cứu rộng rãi trong xử lý số liệu và mạng cố định. Tuy nhiên, kỹ thuật phân nhóm được phát triển trong các lĩnh vực nêu trên đều không thể áp dụng trực tiếp cho mạng cảm biến không dây do sự triển khai duy nhất và các đặc tính hoạt động của những mạng này. Đặc biệt, các mạng cảm biến không dây được triển khai theo cách thức tùy biến (ad hoc) và có một số lượng lớn các nút. Các nút thường không nhận thức được về các vị trí của chúng. Do vậy, các giao thức phân bố mà dựa trên thông tin ở lân cận xung quanh thường được lựa chọn cho các mạng cảm biến không dây (tuy nhiên, phần GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên -- 19 -- Lớp:K12T3 Tìm hiểu về Mạng Cảm Biến lớn các nghiên cứu trong lĩnh vực này vẫn giả sử rằng cấu hình của mạng là đã được biết bởi một bộ điều khiển trung tâm). Hơn nữa, các nút trong các mạng cảm biến không dây hoạt động dựa trên nguồn năng lượng dự trữ có giới hạn (battery). Vì vậy, kỹ thuật phân nhóm triển khai trên thực tế phải có chi phí trao đổi thông tin thấp. Cuối cùng các điều kiện một trường khắc nghiệt cũng dẫn đến sự ngừng hoạt động không mong muốn của các nút mạng cảm biến. Cho nên, phân nhóm lại theo định kỳ là rất cần thiết để gắn kết các vùng bị mất liên lạc và phân bố sự tiêu thụ năng lượng ra toàn bộ các nút. Phân nhóm lại theo định kỳ cũng rất cần thiết khi mà các tham số sử dụng cho phân nhóm (ví dụ như: năng lượng còn lại, mức độ của nút…) là linh hoạt. Các kỹ thuật phân nhóm được đề xuất cho xử lý số liệu thường xem xét các tham số tĩnh như là khoảng cách giữa các nút và giả sử rằng các nút là rất xác thực. Phân nhóm trong mạng cảm biến không dây liên quan đến việc tập hợp các các nút lại thành các nhóm và lựa chọn ra một nút chính sao cho: • Các thành viên của một nhóm có thể trao đổi thông tin trực tiếp với nút chính của chúng. • Một nút chính có thể chuyển dữ liệu thu thập được tới trạm gốc trung tâm thông qua các nút chính khác. Do vậy, việc tập hợp các nút chính trong mạng hình thành nên một tổ hợp các liên kết chi phối (connected dominating set) có ảnh hưởng lớn đến toàn mạng. Nghiên cứu về phân nhóm trong các mạng cảm biến không dây tập trung vào việc phát triển các thuật toán tập trung cũng như phân tán để tính toán xác định nên tổ hợp các liên kết chi phối. Ở đây, chúng tôi tập trung vào các hướng tiếp cận phân tán vì chúng là thực tế hơn cho những hiện trạng được triển khai trên phạm vi rộng. Vì để có được tổ hợp các liên kết chi phối là một vấn đề NP hoàn thiện, các thuật toán đề xuất thường mang tính chất heuristic. Chúng ta phân loại các kỹ thuật phân nhóm dựa trên hai tiêu chí: • Các tham số được sử dụng cho việc lựa chọn các nút chính. • Bản chất thực thi của một thuật toán phân nhóm (theo xác suất hay lặp). II.1. Lựa chọn các nút chính Một loại trong số các kỹ thuật phân nhóm sử dụng nhận dạng của nút để lựa chọn các nút chính. Sự thành công của hướng tiếp cận này phụ thuộc vào hai giả thiết: • Tất cả các nút đều có một nhận dạng duy nhất • Những nhận dạng này được phân bố đều trong toàn mạng Do các nút chính duy trì và quyết định cấu hình của các mạng cảm biến nên việc lựa chọn tối ưu các nút chính là một vấn đề hết sức quan trọng. Trong mô hình của [1, 2], các tác giả thiên về lựa chọn các nút có chỉ số nhận dạng thấp thành các nút chính. Phương thức tiếp cận này có thể không phù hợp cho những mạng cảm biến có năng lượng giới hạn bởi vì nó tập trung chuyên vào một số lượng nhỏ các nút có chỉ số nhận dạng thấp mà không xem xét đến thời gian hoạt động mà chúng có thể tồn tại. Ngoài ra, nó không tạo ra được sự cân bằng về lưu lượng tải cho toàn bộ các nút trong mạng. Một phương pháp khác quan tâm đến các nút có bậc (degree) lớn hơn (ví dụ: Kuhn et. al. [3], GVHD: Lê Nguyễn Mai Duyên -- 20 -- Lớp:K12T3
- Xem thêm -