Tối ưu đa mục tiêu để cân bằng năng lượng tiêu thụ và độ trễ trong mạng cảm biến không dây
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.83 MB, 73 trang )
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------
BÙI KHẮC XUÂN TÌNH
TỐI ƢU ĐA MỤC TIÊU ĐỂ CÂN BẰNG
NĂNG LƢỢNG TIÊU THỤ VÀ ĐỘ TRỄ
TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
TP. HỒ CHÍ MINH – NĂM 2016
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------
BÙI KHẮC XUÂN TÌNH
TỐI ƢU ĐA MỤC TIÊU ĐỂ CÂN BẰNG
NĂNG LƢỢNG TIÊU THỤ VÀ ĐỘ TRỄ
TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
CHUYÊN NGÀNH: HỆ THỐNG THÔNG TIN
MÃ SỐ: 60.48.01.04
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS TRẦN CÔNG HÙNG
TP. HỒ CHÍ MINH - NĂM 2016
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
TPHCM, ngày 22 tháng 08 năm 2016
Học viên thực hiện luận văn
Bùi Khắc Xuân Tình
ii
LỜI CẢM ƠN
Trƣớc hết, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS. TS Trần Công Hùng,
giảng viên Học viện Công Nghệ Bƣu Chính Viễn Thông – cơ sở TPHCM, thầy đã
tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Tôi xin cảm ơn quý Thầy Cô trong khoa Công nghệ thông tin – Học viện
Công nghệ Bƣu chính Viễn thông TPHCM đã tận tình giảng dạy, trang bị cho tôi
những kiến thức quý báu trong những năm học vừa qua.
Sau cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, các anh chị, bạn bè và đồng
nghiệp đã ủng hộ, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện
luận văn này.
TPHCM, ngày 22 tháng 08 năm 2016
Học viên thực hiện luận văn
Bùi Khắc Xuân Tình
iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...............................................v
DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................ vi
DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................ vii
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
Chƣơng 1 - TỔNG QUAN VỀ WSN VÀ CÁC THÁCH THỨC...............................3
1.1
Tổng quan về WSN .......................................................................................3
1.1.1
Giới thiệu ................................................................................................3
1.1.2
Các đặc trƣng của WSN..........................................................................4
1.1.3
Các vấn đề về thiết kế WSN ...................................................................4
1.1.4
Kiến trúc của WSN [7] ...........................................................................6
1.1.5
Kiến trúc của sensor [7] ..........................................................................8
1.1.6
Chồng giao thức WSN ............................................................................9
1.1.7
Ứng dụng của WSN ..............................................................................12
1.2
Các thách thức .............................................................................................13
1.3
Vấn đề tối ƣu [8] ..........................................................................................13
1.4
Kết luận chƣơng 1 .......................................................................................15
Chƣơng 2 - TỐI ƢU ĐA MỤC TIÊU ĐỂ CÂN BẰNG..........................................16
NĂNG LƢỢNG TIÊU THỤ VÀ ĐỘ TRỄ TRONG WSN ......................................16
2.1
Giới thiệu .....................................................................................................16
2.2
Các định nghĩa và giả thuyết [9]..................................................................17
2.3
Mô hình hoá vùng giao tiếp giữa các node cảm biến [9] ............................19
2.4
Cân bằng năng lƣợng và độ trễ [9] ..............................................................21
2.5
Tối ƣu đa mục tiêu [9] .................................................................................26
2.5.1
Cách tiếp cận tổng trọng số WES .........................................................26
iv
2.5.2
Giải bài toán cân bằng sử dụng WES ...................................................27
2.5.3
Đánh giá các trọng số............................................................................29
2.6
Giao thức cân bằng năng lƣợng và độ trễ (TED) [9]...................................32
2.7
Kết luận chƣơng 2 .......................................................................................36
Chƣơng 3 - CẢI TIẾN GIAO THỨC TED...............................................................37
VÀ ĐỀ XUẤT GIAO THỨC TED+ ........................................................................37
3.1
Giới thiệu .....................................................................................................37
3.2
Cải tiến giao thức TED ................................................................................37
3.3
Đề xuất giao thức TED+ ..............................................................................44
3.4
Kết luận chƣơng 3 .......................................................................................47
Chƣơng 4 - MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC .............................................48
TED VÀ TED+ .........................................................................................................48
4.1
Giới thiệu .....................................................................................................48
4.2
Mô phỏng giao thức TED ............................................................................48
4.3
Mô phỏng giao thức TED+ ..........................................................................51
4.4
Đánh giá giữa TED và TED+ ......................................................................53
4.5
Kết luận chƣơng 4 .......................................................................................60
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................61
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................62
v
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt
BS
CCB
CD
CDMA
Tiếng Anh
Base Station
Constrained Anisotropic
Diffusion Routing
Concentric Circular Band
Communication Disk
Code Division Multiple Access
CPF
Candidate Proxy Forwarder
CADR
CSMA
GAF
GPRS
GSM
Carrier Sense Multiple Access
Geographic Adaptive Fidelity
General Packet Radio Service
Global System for Mobile
Institute of Electrical and
IEEE
Electronics Engineers
Low Energy Adaptive Clustering
LEACH
Hierarchy
Multi-objective Optimization
MOGA
Genetic Algorithm
NNS
Neighbour Network Set
Power-Efficient GAthering in
PEGASIS
Sensor Information Systems
PF
Proxy Forwarder
SAR
Sequential Assignment Routing
Sensor Network Services
SNSP
Platform
Stateless Protocol for End-toSPEED
End Delay
Sensor Protocols for Information
SPIN
via Negotiation
TED
Trade-off Energy with Delay
Trade-off Energy with Delay
TED+
plus
Threshold sensitive Energy
TEEN
Efficient sensor Network
WEighted scale-uniform-unit
WES
Sum
WLAN
Wireless Local Area Networks
WSN
Wireless Sensor Network
Tiếng Việt
Trạm gốc
Định tuyến khuếch tán đẳng
hƣớng ràng buộc
Vùng tròn đồng tâm
Vùng giao tiếp hình đĩa
Đa truy cập phân chia theo mã
Ứng cử viên chuyển tiếp trung
gian
Đa truy cập cảm biến sóng mang
Độ trung thực thích ứng địa lý
Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp
Hệ thống di động toàn cầu
Viện kỹ sƣ điện và điện tử
Phân nhóm phân bật tƣơng thích
năng lƣợng thấp
Thuật toán di truyền tối ƣu đa
mục tiêu
Tập mạng láng giềng
Hệ thống thu thập thông tin cảm
biến hiệu quả năng lƣợng
Nút chuyển tiếp trung gian
Định tuyến gán tuần tự
Nền tảng dịch vụ mạng cảm biến
Giao thức phi trạng thái cho độ
trễ từ đầu cuối đến đầu cuối
Giao thức cảm biến thông tin
thông qua thỏa thuận
Cân bằng năng lƣợng với độ trễ
Cân bằng năng lƣợng với độ trễ
cải tiến
Ngƣỡng năng lƣợng nhạy cảm
hiệu quả cho mạng cảm biến
Tổng đơn vị trọng số có thể thay
đổi
Mạng cục bộ không dây
Mạng cảm biến không dây
vi
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Giao thức WSN ở lớp thấp (Physical) [6] .......................................11
Bảng 1.2: Các giao thức định tuyến WSN [6] ................................................. 12
Bảng 2.1: Tham số đầu vào .............................................................................. 30
Bảng 4.1: Các giá trị đầu vào dùng để mô phỏng ............................................ 48
vii
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Mô hình WSN .................................................................................. 3
Hình 1.2: Kiến trúc hình sao ............................................................................ 6
Hình 1.3: Kiến trúc hình lƣới ........................................................................... 7
Hình 1.4: Kiến trúc lai hình sao và hình lƣới ................................................... 7
Hình 1.5: Kiến trúc của 1 sensor ......................................................................9
Hình 1.6: Sơ đồ khối chức năng của 1 sensor .................................................. 9
Hình 1.7: Kiến trúc phân lớp trong WSN ........................................................ 10
Hình 1.8: Tối ƣu đa mục tiêu ........................................................................... 14
Hình 1.9: Phân loại vấn đề tối ƣu .....................................................................15
Hình 2.1: Nhóm các CCB theo số chẵn ........................................................... 20
Hình 2.2: Nhóm cac CCB theo số lẻ ................................................................ 20
Hình 2.3: Tham số k ảnh hƣởng đến kích thƣớc của CPF ............................... 21
Hình 2.4: Mô tả đƣờng đi từ s0 đến sm............................................................................................ 23
Hình 2.5: Yếu tố k, α, θ ảnh hƣởng tới hàm tiêu thụ năng lƣợng .................... 24
Hình 2.6: Yếu tố k, α, θ ảnh hƣởng tới hàm độ trễ .........................................25
Hình 2.7: Yếu tố k, α, θ ảnh hƣởng tới hàm tiêu thụ năng lƣợng đồng bộ ......26
Hình 2.8: M(k) với α = 2 .................................................................................. 31
Hình 2.9: M(k) với α = 3 .................................................................................. 31
Hình 2.10: M(k) với α = 4 ................................................................................ 32
Hình 2.11: TED với k =5 ................................................................................. 35
Hình 2.12: TED với k =3 ................................................................................. 36
Hình 3.1: Cải tiến giao thức TED bằng kiểm tra nút kế cuối .......................... 38
Hình 3.2: Cải tiến giao thức TED bằng chọn 𝜃 nhỏ nhất ................................ 39
Hình 3.3: Cải tiến giao thức TED bằng chọn 𝛿 ngắn nhất .............................. 40
Hình 3.4: Giao thức TED ................................................................................. 41
Hình 3.5: Giao thức cải tiến ............................................................................. 41
Hình 3.6: Giao thức chọn proxy forwarder không kết hợp góc chọn .............. 42
viii
Hình 3.7: Giao thức cải tiến chọn proxy forwarder kết hợp góc chọn ............ 42
Hình 3.8: Chuyển tiếp dữ liệu n=100 vòng bằng giao thức TED .................... 43
Hình 3.9: Chuyển tiếp dữ liệu n=100 vòng bằng giao thức cải tiến ................ 43
Hình 4.1: Các đƣờng truyền data từ source đến sink sau 100 vòng (TED) .....49
Hình 4.2: Tổng năng lƣợng tiêu thụ sau mỗi vòng (TED) .............................. 49
Hình 4.3: Tổng độ trễ sau mỗi vòng (TED) ..................................................... 50
Hình 4.4: Tỉ lệ các node chết sau mỗi vòng (TED) .........................................50
Hình 4.5: Các đƣờng truyền data từ source đến sink sau 100 vòng (TED+) ...51
Hình 4.6: Tổng năng lƣợng tiêu thụ sau mỗi vòng (TED+)............................. 52
Hình 4.7: Tổng độ trễ sau mỗi vòng (TED+) ................................................... 52
Hình 4.8: Tỉ lệ các node chết sau mỗi vòng (TED+) .......................................53
Hình 4.9: Tổng năng lƣợng tiêu hao giữa TED và TED+ ............................... 54
Hình 4.10: Tổng độ trễ giữa TED và TED+ .................................................... 54
Hình 4.11: Tỉ lệ số node chết trong mạng của TED và TED+......................... 55
Hình 4.12: So sánh tổng năng lƣợng sau mỗi vòng của TED, TED+, SR, LR 56
Hình 4.13: So sánh tổng độ trễ sau mỗi vòng của TED, TED+, SR, LR .........56
Hình 4.14: So sánh tỉ lệ node chết sau mỗi vòng của TED, TED+, SR, LR ...57
Hình 4.15: So sánh tổng năng lƣợng với các hƣớng tiếp cận cải tiến .............. 58
Hình 4.16: So sánh tổng độ trễ với các hƣớng tiếp cận cải tiến....................... 58
Hình 4.17: So sánh tỉ lệ node chết với các hƣớng tiệp cận cải tiến ................. 59
Hình 4.18: Thời gian chạy của 2 thuật toán TED và TED+ ............................ 59
1
MỞ ĐẦU
Những tiến bộ trong công nghệ cảm biến và truyền thông không dây đã giúp
cho việc thiết kế và phát triển những mạng cảm biến quy mô lớn với chi phí thấp.
Mạng cảm biến không dây (WSN) là một tập những bộ cảm biến (sensor) giao tiếp
với nhau qua đa chặng (multi-hop) kết nối không dây để thực hiện một nhiệm vụ
nào đó [1]. Loại mạng này bị hạn chế về năng lƣợng hoạt động, tính toán và khả
năng lƣu trữ. Điều cần quan tâm nhất là năng lƣợng cung cấp (pin) vì nó là nguồn
tài nguyên hữu hạn, khó nạp hoặc thay thế trong những môi trƣờng đặc biệt nhƣ
chiến trƣờng, địa hình hiểm trở...Vì vậy, việc thiết kế các giao thức chuyển tiếp dữ
liệu tiết kiệm năng lƣợng cho WSN là một thành phần thiết yếu và quyết định
[2],[3],4],[5] . Các giao thức này phải đảm bảo tiết kiệm và sử dụng đồng bộ năng
lƣợng tiêu thụ của các node cảm biến, giúp cho chúng hoạt động trong thời gian dài
hơn. Tuy nhiên để đảm bảo tuổi thọ của WSN trở thành một vấn đề khó khăn đối
với những mạng đòi hỏi yêu cầu khắc khe về độ trễ. Rõ ràng các mục tiêu trên, cụ
thể là tối thiểu năng lƣợng tiêu thụ, độ trễ tối thiểu, tiêu thụ năng lƣợng đồng bộ là
những mục tiêu mâu thuẫn nhau. Nếu tối thiểu năng lƣợng tiêu thụ thì phải truyền
dữ liệu trên một khoảng cách ngắn. Nếu truyền khoảng cách dài thì tối ƣu về độ trễ
nhƣng lại tiêu tốn nhiều năng lƣợng [6]. Do đo mức độ tiêu thụ năng lƣợng không
đồng bộ diễn ra trên mạng WSN. Việc sử dụng năng lƣợng không đồng bộ trên
mạng WSN sẽ gây khó khăn trong việc thu thập thông tin: những vùng cần thu thập
thông tin thì các sensor lại hết năng lƣợng và ngƣợc lại những vùng cần ít thông tin
thì thời gian sống của các sensor lại dài. Nhƣ vậy để tối ƣu các mục tiêu này đang là
vấn đề thách thức đối với các nhà khoa học.
Với mục đích tối ƣu các mục tiêu trên, tôi chọn đề tài nghiên cứu “Tối ƣu đa
mục tiêu để cân bằng năng lƣợng tiêu thụ và độ trễ trong mạng cảm biến không
dây”.
Nội dung đề tài bao gồm 4 chƣơng:
Chƣơng 1: Tổng quan về mạng WSN và các thách thức
2
Chƣơng 2: Tối ƣu đa mục tiêu để cân bằng năng lƣợng và độ trễ trong WSN
Chƣơng 3: Cải tiến giao thức TED và đề xuất giao thức TED+
Chƣơng 4: Mô phỏng đánh giá giao thức TED+ so với giao thức TED
3
Chƣơng 1 - TỔNG QUAN VỀ WSN VÀ CÁC THÁCH THỨC
1.1
Tổng quan về WSN
1.1.1 Giới thiệu
Mạng cảm biến không dây có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các nút cảm
biến (sensor node) với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến trong đó các sensor thƣờng
là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp ... và có số lƣợng lớn, đƣợc phân bố
một cách không có hệ thống trên một diện tích rộng, sử dụng nguồn năng lƣợng
đƣợc cung cấp (pin) hạn chế, có thời gian hoạt động lâu dài (vài tháng đến vài năm)
và có thể hoạt động trong môi trƣờng khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ ...).
Các nút cảm biến gọi tắt là nút (node) hay cảm biến (sensor). Các sensor có chức
năng cảm biến (sensing) để cảm ứng, quan sát môi trƣờng xung quanh nhƣ: nhiệt
độ, độ ẩm, ánh sáng ... theo dõi hay định vị các mục tiêu cố định hoặc di động ...
Các node giao tiếp với nhau và truyền dữ liệu về node đích (sink) hoặc trạm gốc
(BS - Base Station). Hình 1.1 chỉ ra mô hình của WSN.
Network (LAN, WAN,
INTERNET, SATELITE, )
Nguồn (Source)
Đích (Sink)
Hình 1.1: Mô hình WSN
Máy chủ
4
1.1.2 Các đặc trƣng của WSN
WSN bị hạn chế về năng lƣợng hoạt động, tính toán và khả năng lƣu trữ.
Điều cần quan tâm nhất là năng lƣợng cung cấp (pin) vì nó là nguồn tài nguyên hữu
hạn, khó nạp hoặc thay thế trong những môi trƣờng đặc biệt nhƣ chiến trƣờng, địa
hình hiểm trở...Vì vậy, việc thiết kế các giao thức chuyển tiếp dữ liệu tiết kiệm năng
lƣợng cho WSN là một thành phần thiết yếu và quyết định hiệu quả năng của mạng.
Các giao thức này phải đảm bảo tiết kiệm và sử dụng đồng bộ năng lƣợng tiêu thụ
của các node cảm biến, giúp cho chúng hoạt động trong thời gian dài hơn [1]. Tuy
nhiên để đảm bảo tuổi thọ của WSN trở thành một vấn đề khó khăn đối với những
mạng đòi hỏi yêu cầu khắc khe về độ trễ [2],[3]. Rõ ràng các mục tiêu trên, cụ thể là
tối thiểu năng lƣợng tiêu thụ, độ trễ tối thiểu, tiêu thụ năng lƣợng đồng bộ là những
mục tiêu mâu thuẫn nhau. Nếu tối thiểu năng tiêu thụ thì phải truyền dữ liệu trên
một khoảng cách ngắn, nếu truyền khoảng cách dài thì tối ƣu về độ trễ nhƣng lại
tiêu tốn nhiều năng lƣợng. Do đó mức độ tiêu thụ năng lƣợng không đồng bộ diễn
ra trên mạng WSN. Việc sử dụng năng lƣợng không đồng bộ trên mạng WSN sẽ
gây khó khăn trong việc thu thập thông tin: những vùng cần thu thập thông tin thì
các sensor lại hết năng lƣợng và ngƣợc lại những vùng cần ít thông tin thì thời gian
sống của các sensor lại dài. Nhƣ vậy để tối ƣu các mục tiêu này đang là vấn đề
thách thức đối với các nhà khoa học.
1.1.3 Các vấn đề về thiết kế WSN
Có nhiều thách thức trong việc triển khai WSN. Cụ thể là vấn đề về năng
lƣợng bị giới hạn của các nút cảm biến mà nó không thể đƣợc thay thế hay nạp mới.
Để tối đa thời gian sống của mạng thì giao thức cần đƣợc thiết kế hƣớng tới mục
tiêu hiệu quả về nguồn tài nguyên năng lƣợng [4]. Ngoài ra để đánh giá toàn diện về
vấn đề thiết kế, chúng ta cần quan tâm đến những yếu tố sau [5]:
- Khả năng chịu lỗi: do các sensor thƣờng đƣợc triển khai trong các môi
trƣờng nguy hiểm nên dễ xảy ra lỗi về vật lý hoặc các vấn đề về nguồn cung cấp
năng lƣợng. Các giao thức triển khai trong mạng WSN phải có khả năng phát hiện
5
sớm các lỗi và tự sửa lỗi trong khi vẫn đảm bảo chức năng hoạt động của mạng.
Vấn đề này có liên quan đến giao thức định tuyến, nó phải đảm bảo chắc chắn rằng
phải có những đƣờng truyền thay thế để định tuyến lại các gói tin trong trƣờng hợp
xảy ra lỗi.
- Khả năng mở rộng: các mạng cảm biến không dây khác nhau về quy mô, có
thể từ vài nút mạng đến vài trăm ngàn nút mạng. Ngoài ra mật độ triển khai cũng là
một tham biến. Các giao thức triển khai trong WSN cần có thể mở rộng khi quy mô
của WSN ngày càng tăng.
- Chi phí sản xuất: vì mô hình mạng WSN chỉ sử dụng các sensor 1 lần khi
hết năng lƣợng (do triển khai trong môi trƣờng nguy hiểm) nên chi phí sản xuất là
một vấn đề thách thức với mạng thu thập thông tin truyền thống.
- Ràng buộc về phần cứng: ở mức tối thiểu thì mỗi sensor cần chức năng cảm
biến, xử lý, truyền tải và nguồn. Nhiều chức năng đƣợc tích hợp vào sensor sẽ làm
tăng chi phí và năng lƣợng cho sensor.
- Topo của WSN: mặc dùng WSN có những cải tiến về nhiều mặt trong những
năm gần đây, tuy nhiên WSN vẫn là mạng có những ràng buộc về năng lƣợng, khả
năng xử lý, bộ nhớ và khả năng truyền thông. Trong số những mặt hạn chế đó thì
vấn đề tiêu thụ năng lƣợng là yếu tố quan trọng nhất, đƣợc thể hiện bởi số lƣợng lớn
các thuật toán, kỹ thuật và các giao thức đƣợc phát triển để tiết kiệm năng lƣợng
nhằm mục đích kéo dài thời gian hoạt động của mạng. Việc lựa chọn Topo cho
WSN là một trong những vấn đề cần thiết và quan trọng để giảm năng lƣợng tiêu
thụ trong WSN.
- Môi trƣờng truyền dẫn: truyền thông giữa các sensor thƣờng đƣợc sử dụng
bằng giao tiếp vô tuyến qua băng tần phổ biến ISM (Industrial, Scientific and
Medical).
Nguồn cung cấp: nhƣ chúng ta đã thấy, có rất nhiều thách thức của WSN xoay
quanh các tài nguyên bị hạn chế. Kích thƣớc của sensor sẽ giới hạn kích thƣớc của
pin. Thiết kế phần mềm và phần cứng phải xem xét cẩn thận các vấn đề về sử dụng
năng lƣợng hiệu quả. Ví dụ: nén dữ liệu có thể giảm năng lƣợng dành cho việc
6
truyền thông nhƣng nó lại làm tăng khả năng tính toán. Chính sách về năng lƣợng
cũng phụ thuộc vào các ứng dụng, một số ứng dụng có thể chấp nhận tắt bớt một số
sensor để tiết kiệm năng lƣợng, trong khi một số loại ứng dụng đòi hỏi các sensor
phải hoạt động đồng thời.
1.1.4 Kiến trúc của WSN [7]
Kiến trúc hình sao
Một mạng hình sao là kiến trúc giao tiếp một trạm gốc BS có thể gởi/nhận
thông tin đến các sensor. Những nút sensor không đƣợc phép trao đổi thông tin với
nhau. Ƣu điểm của loại mạng này trong WSN là đơn giản, năng lƣợng tiêu thụ tối
thiểu, độ trễ thấp trong truyền tin giữa các sensor với BS. Nhƣợc điểm là BS phải
nằm trong vùng giao tiếp của tất cả các sensor.
Hình 1.2: Kiến trúc hình sao
Kiến trúc lƣới
Một mạng hình lƣới cho phép truyền dữ liệu từ một node đến các node còn
lại trong mạng trong vùng giao tiếp vô tuyến của nó. Loại mạng này cho phép triển
khai mô hình mạng đa chặng (multi-hop). Kiến trúc này có ƣu điểm về khả năng mở
rộng và dự phòng. Nhƣợc điểm của kiến trúc này là năng lƣợng tiêu thụ cho mỗi
node sẽ cao hơn so với kiến trúc hình sao.
7
Hình 1.3: Kiến trúc hình lƣới
Trong thực tế với quy mô triển khai trên diện rộng thì mô hình này ích đƣợc
sử dụng do nhƣợc điểm của nó là năng lƣợng tiêu thụ cao. Trong khi các sensor
đƣợc triển khai trong môi trƣờng khó nạp năng lƣợng thì vấn đề năng lƣợng tiêu thụ
của các sensor vô cùng quan trọng.
Kiến trúc lai
Kiến trúc lai giữa mạng hình sao và mạng hình lƣới, nó cung cấp tính mềm
dẽo trong việc thiết kế WSN, trong khi nó vẫn duy trì năng lƣợng tiêu thụ ở mức tối
thiểu trong WSN. Trong kiến trúc mạng này, các node năng lƣợng thấp hơn sẽ
không đƣợc phép chuyển tiếp dữ liệu. Trong thực tế mô hình này thƣờng đƣợc áp
dụng
Hình 1.4: Kiến trúc lai hình sao và hình lƣới
8
1.1.5 Kiến trúc của sensor [7]
Một node sensor đƣợc cấu tạo từ 4 thành phần cơ bản: bộ phận cảm biến, bộ
phận xử lý, bộ phận giao tiếp, bộ phận nguồn chỉ ra trong Hình 1.5. Sơ đồ khối
chức năng của một sensor đƣợc chỉ ra trong Hình 1.6. Cách tiếp cận thiết kế dạng
mô-đun cung cấp một nền tảng linh hoạt và đa năng để giải quyết nhu cầu của các
loại ứng dụng cảm biến khác nhau. Ví dụ: dựa vào các sensor đƣợc triển khai, khối
kiểm tra tín hiệu có thể đƣợc lập trình lại hoặc thay thế. Điều này cho phép nhiều
loại sensor khác nhau có thể đƣợc sử dụng với sensor không dây, tƣơng tự giao tiếp
vô tuyến có thể đƣợc chuyển đổi dãy vùng giao tiếp theo yêu cầu của ứng dụng. Sử
dụng bộ nhớ flash để lƣu lại nhật kí và firmware, giúp ta có thể tra cứu và cập nhật
firmware dễ dàng. Bộ vi xử lý có các chức năng sau:
- Quản lý việc thu thập dữ liệu từ các sensor
- Thực hiện chức năng quản lý nguồn năng lƣợng
- Tƣơng tác dữ liệu sensor đến lớp vật lý
- Quản lý các giao thức mạng vô tuyến
Một yếu tố quan trọng của bất kỳ nút cảm biến không dây là giảm thiểu năng
lƣợng tiêu thụ bởi hệ thống. Thông thƣờng, hệ thống vô tuyến yêu cầu năng lƣợng
tiêu thụ lớn. Do đó, dữ liệu gởi qua mạng vô tuyến chỉ khi nào cần thiết. Thuật toán
đƣợc nạp vào node sensor để xác định khi nào gởi dữ liệu dựa trên sự kiện cảm biến
đƣợc. Phần cứng phải đƣợc thiết kế cho phép bộ vi xử lý kiểm soát đƣợc nguồn
năng lƣợng dùng cho giao tiếp vô tuyến, cảm biến tín hiệu,…
9
Bộ phận xử lý
(Processing unit)
Thuật toán
Bộ phận cảm
biến
(Sensing unit)
Bộ phận giao
tiếp
(Communicati
on unit)
Hệ điều hành
Analog
to Digital
(A/D)
Vi xử lý
Bộ nhớ
Bộ phận nguồn (Power unit)
Hình 1.5: Kiến trúc của 1 sensor
Tín hiệu sensor
cảm biến đầu vào
Nguồn năng lƣợng
cung cấp
Radio Frequency
(RF) transceiver
Kiểm tra tín hiệu
Xử lý qua bộ vi xử
lý
Điều chế / khuếch
đại
Chuyển tín hiệu
tƣợng tự sang tín
hiệu số
Flash EEPROM
Hình 1.6: Sơ đồ khối chức năng của 1 sensor
1.1.6 Chồng giao thức WSN
Chồng giao thức đơn giản trong WSN đƣợc thể hiện qua Hình 1.7
10
Application
Transport
Network
Data Link
Physical
Hình 1.7: Kiến trúc phân lớp trong WSN
-
Lớp ứng dụng (Application): định nghĩa các dịch vụ chuẩn và giao diện để
ngƣời lập trình xây dựng ứng dụng độc lập trên các nền tảng kiến trúc WSN khác
nhau. Ví dụ nhƣ SNSP (Sensor Network Services Platform) [5]
-
Lớp truyền tải (Transport): giúp duy trì luồng dữ liệu khi các ứng dụng
mạng cảm biến yêu cầu. Đặc biệt lớp này cần thiết khi ứng dụng mạng đƣợc truy
cập qua internet hoặc mạng bên ngoài. Không giống nhƣ chồng giao thức TCP,
trong WSN giao tiếp đầu cuối đến đầu cuối (end-to-end) không dựa trên địa chỉ toàn
cục.
-
Lớp mạng (Network): chịu trách nhiệm định tuyến dữ liệu, lựa chọn đƣờng
đi phù hợp để gởi dữ liệu từng nguồn đến đích.
-
Lớp liên kết dữ liệu (Data Link): cung cấp việc tách/ghép luồng dữ liệu, điều
khiển môi trƣờng truy cập và phát hiện khung dữ liệu.
-
Lớp vật lý (Physical): chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, nguồn, module hóa
và mã hóa dữ liệu.
11
Bảng 1.1: Giao thức WSN ở lớp thấp (Physical) [6]
Chuẩn thƣơng
mại
Mạng đích
đến
GPRS/GSM
IEEE
IEEE
IEEE
/CDMA
802.11b/g
802.15.1
802.15.4
2.5G/3G
WAN/MAN
Voice và
Ứng dụng
data diện
rộng
Băng thông
0.064–
(Mbps)
0.128+
Khoảng cách
truyền (ft)
3000+
Mục đích thiết Chất lƣợng
kế
truyền dẫn
Wi-Fi
WLAN và
hotspot
Voice và data
Bluetooth
ZigBee
DAN (Desk
Area
WSN
Network)
Giám sát và
Thay thế cáp
điều khiển
11–54+
0.7
0.020–0.25
1–300+
1–30+
1–300+
doanh nghiệp
Hỗ trợ doanh
nghiệp, mở
rộng, giá
Độ tin cậy,
Giá, dễ sử
nguồn cung
dụng
cấp, chi phí
12
Bảng 1.2: Các giao thức định tuyến WSN [6]
Phân loại giao thức định tuyến
Trung tâm dữ liệu (data centric)
Ví dụ
SPIN (Sensor Protocols for Information via
Negotiation), CADR (Constrained Anisotropic
Diffusion Routing),…
Phân cấp (hierarchical)
LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering
Hierarchy), TEEN (Threshold sensitive Energy
Efficient sensor Network), PEGASIS (PowerEfficient GAthering in Sensor Information
Systems),…
Dựa vào vị trí
GAF (Geographic Adaptive Fidelity), TED
(Trade-off Energy with Delay)
Hƣớng chất lƣợng dịch vụ
SAR (Sequential Assignment Routing), SPEED
(Stateless Protocol for End-to-End Delay),…
1.1.7 Ứng dụng của WSN
WSN đƣợc 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
trƣờng, y tế ... WSN ngày càng đƣợc sử dụng nhiều trong hoạt động công nghiệp và
dân dụng. Một số ứng dụng cơ bản của WSN:
-
Cảm biến môi trƣờng (quân sự: phát hiện mìn, chất độc, dịch chuyển quân
địch ...; công nghiệp: hệ thống chiếu sáng, độ ẩm, phòng 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 ... )
bị...)
Theo dõi, giám sát, định vị (quân sự: định vị, theo dõi sự dịch chuyển thiết
13
-
Môi trƣờng (giám sát lũ lụt, bão, gió, mƣa ...; 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 phƣơng tiện giao
thông, hệ thống điều tiết lƣu thông công cộng, hệ thống báo hiệu tai nạn, kẹt xe ...;
hệ thống định vị phƣơng, trợ giúp điều khiển tự động phƣơng tiện tiện giao thông...
Gia đình (nhà thông minh: hệ thống cảm biến, giao tiếp và điều khiển các thiết bị
thông minh ...)
1.2
Các thách thức
Nhƣ đã nói trong phần 1.1.2, từ những đặc trƣng của WSN mà mục tiêu của
mạng WSN cũng chính là những thách thức đối với các nhà nghiên cứu. Mục tiêu
chính của mạng cảm biến không dây là:
-
Tối thiểu hoá năng lƣợng sử dụng
-
Tối thiểu hoá độ trễ
-
Sử dụng đồng bộ nguồn năng lƣợng giữa các sensor
Trên thực tế thì các mục tiêu này không song hành với nhau mà nó mâu
thuẫn nhau. Nếu đạt đƣợc tối thiểu năng lƣợng thì sẽ làm tăng độ trễ và ngƣợc lại.
Nhƣ vậy thách thức của các nhà nghiên cứu hiện nay là tìm giải pháp để cân bằng 3
mục tiêu trên sao cho tối ƣu về hiệu năng khi triển khai mạng cảm biến không dây.
Sử dụng toán tối ƣu đa mục tiêu để cân bằng 3 mục tiêu này là một trong những
nghiên cứu để xây dựng nên thuật toán TED sẽ giới thiệu ở phần sau.
1.3
Vấn đề tối ƣu [8]
Tối ƣu hóa đóng một vai trò quan trọng trong các mạng cảm biến không dây.
Việc tối ƣu hóa trong WSN có thể đƣợc phân loại thành vấn đề tối ƣu đơn và đa
mục tiêu. Trong tối ƣu đơn mục tiêu, mục đích chính là tối ƣu để giảm thiểu hoặc
tối đa hóa một mục tiêu. Trong tối ƣu đa mục tiêu thì nhiều mục tiêu cùng một lúc
đƣợc tối ƣu hóa. Hầu hết các vấn đề thực tế liên quan đến nhiều mục tiêu, mà tất cả
các mục tiêu cần đƣợc tối ƣu hóa cùng một lúc. Tình trạng này làm cho việc tối ƣu
14
hóa đa mục tiêu là một nhiệm vụ đầy thách thức và chắc chắn là một chủ đề rất
nóng cho các nhà nghiên cứu.
Trong tối ƣu đa mục tiêu, tồn tại nhiều giải pháp để tối ƣu. Phƣơng pháp
thƣờng đƣợc sử dụng nhất là kết hợp nhiều mục tiêu bằng cách gán trọng số khác
nhau cho các mục tiêu khác nhau và sau đó thực hiện tối ƣu đơn mục tiêu bằng
thuật toán.
Các bài toán tối ƣu đa mục tiêu tổng quát bao gồm bốn phần: (1) đầu vào; (2)
đầu ra; (3) mục tiêu; và (4) ràng buộc.
Input:
Tần số truyền,
hỗ trợ pin nội
hay gắn ngoài,
dãy giao tiếp, vị
trí của các
sensor, kích
thước gói tin,...
Ràng buộc:
QoS, năng lượng truyền, khoảng
cách, vùng phủ sóng, cấu trúc
mạng,...
Mục tiêu:
Tối thiểu về năng lượng tiêu
thụ, tối thiểu độ trễ, thối đa
thời gian sống của mạng, tối đa
độ tin cậy, tối thiểu chi phí,...
Output;
Vị trí sensor, số
sensor, tối ưu
lập lịch truyền,
năng lượng, độ
trễ, .
Hình 1.8: Tối ƣu đa mục tiêu
Nhìn chung nhiều vấn đề trong thế giới thực có liên quan đến việc tối ƣu đa
mục tiêu do những mục tiêu đó mâu thuẫn nhau. Tƣơng tự kịch bản thực tế đƣợc áp
dụng trong WSN về: thiết kế, vận hành, vị trí, triển khai,…sử dụng phƣơng pháp tối
ƣu đa mục tiêu. Hình 1.9 tóm tắt việc phân loại tối ƣu.
15
Phân loại vấn đề tối ưu
Thiết kế
Vận hành
Triển khai
Vị trí
Thời gian sống
của mạng
Độ tin cậy
Năng lượng
tiêu thụ
Hiệu quả vùng
phủ sóng
Mật độ các
node
Năng lượng
tiêu thụ
Tính chính xác
Hiệu quả vùng
phủ sóng
Năng lượng
tiêu thụ
Hiệu quả vùng
phủ sóng
Hiệu quả vùng
phủ sóng
Giám sát
Truy tìm đích
đến
Thời gian sống
của mạng
Năng lượng
tiêu thụ
Phân cụm
Cấu tạo
Thời gian sống
của mạng
Thông lượng
...
Giám sát
Hình 1.9: Phân loại vấn đề tối ƣu
1.4
Kết luận chƣơng 1
Chƣơng này đƣa ra cái nhìn tổng quan về WSN, những ứng dụng của nó
trong cuộc sống. Đặc biệt nêu lên những vấn đề thách thức (năng lƣợng và độ trễ)
của mạng WSN đối với các nhà khoa học hiện nay. Từ cái nhìn tổng quan đó, ta
thấy tối ƣu hóa đóng 1 vai trò quan trọng trong WSN. Cụ thể là tối ƣu đa mục tiêu:
tối ƣu về năng lƣợng tiêu thụ, tối ƣu về độ trễ, tối ƣu về mức tiêu thụ năng lƣợng
đồng bộ giữa các sensor trong WSN. Vấn đề này sẽ đƣợc giới thiệu trong chƣơng 2.
