Các kỹ thuật phân nhóm trong các mạng cảm biến vô tuyến

1
Các kỹ thuật phân nhóm trong các mạng cảm biến vô tuyến

TS. Lê Nhật Thăng, TS. Nguyễn Quý Sỹ

1. 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
nh
ư 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

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).

(
( )
)
(
( )
)
(
( )
)
(
( )

)
(
( )
)
(
( )
)
(
( )
)
(
( )
)
(
( )
)
(
( )
)
Base station
Cluster-head
Cluster-head
Cluster-head
Sensor
Cluster
Cluster
Cluster

2
•

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 mạ
ng.

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:

3
•
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

2. 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 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,
m
ức 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.

4
•
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).


2.1. 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],
Amis et. al. [4] và Gerla et. al. [5]) để tạo ra các nhóm và xây dựng tổ hợp các nút chính chi phối.
Ở đây, bậc của một nút được tính toán d
ựa trên khoảng cách (phạm vi truyền dẫn) giữa nút này
với các nút khác. Nói cách khác, bậc của một nút là số các nút lân cận trong một truyền dẫn được
xác định trước gọi là phạm vi của nhóm. Nút có số lượng tối đa các nút lân cận sẽ được chọn làm

nút chính. Tuy nhiêu, một nút chính không thể điều khiển được một số lượng lớn các nút của
nhóm do hạn chế về nguồn năng lượng. Điều này có thể
dẫn đến sự suy hao nhanh chóng nguồn
ắc qui của các nút có bậc lớn. Hơn nữa, thông lượng của hệ thống sẽ giảm khi số lượng các nút
trong nhóm tăng lên. Từ khía cạnh áp dụng, các nhóm có số lượng nút đồng đều sẽ làm giảm tải
cho các nút chính. Nhưng vấn đề này làm nảy sinh chi phí cho việc có nhiều nhóm trong mạng và
do vậy yêu cầu nhiều định tuyến hơn.

Các kỹ thuật thuộc loại thứ ba chú trọng đến các nút có trọng số lớn hơn và được chọn làm các
nút chính. Trọng số của một nút được dùng để xác định sự quan trọng của nút. Ví dụ, nó có thể là
năng lượng ắc qui còn lại của nút (như trong giao thức HEED [6]), bậc của nút (như trong giao
thức ACE [7]), hoặc kết hợp các tham số (ví dụ như năng lượng còn lại, phân bậc, tính di động,
khoảng cách trung bình đến các nút lân cận). Kỹ thuật này có nhược điể
m là không có một tiêu

5
chuẩn cụ thể để cấp trọng số cho các nút và nó khá phù hợp với mạng tĩnh mà ở đó các nút không
di chuyển nhiều hoặc di chuyển rất chậm

Một số các giao thức như GAF [8] và SPAN [9], được đề xuất cho việc điều khiển cấu hình mạng
bằng việc khai thác các dư thừa của nút. Các giao thức này lựa chọn các nút nhất định nào đó
thành các nút tích cực hoạt động (active) – tham gia vào quá trình cảm biến và truyền dẫn số liệu,
trong khi các nút khác được bố trí tạm thời ngừng hoạt động để tiết kiệm năng lượng. Theo [8], ví
dụ, một nút thuộc về một vùng nào đó được xác định bởi vị trí của nó. Khái niệm vùng trong ngữ
cảnh này là được định nghĩa như là một phạm vi A mà ở đó bất kỳ một nút u nào đều có thể trao
đổi thông tin qua một chặ
ng với bất kỳ nút v nào thuộc B mà B là vùng lân cận của A. Do vậy, chỉ
cần có một nút đại diện duy nhất trong bất kỳ một vùng nào để tham gia vào cơ chế định tuyến tại
bất cứ thời điểm nào để đảm bảo sự liên kết kết nối mạng. Ở [9], một nút quyết định liệu nó ở chế
độ hoạt động ho

ặc nghỉ tạm thời phụ thuộc vào kết nối giữa nó với các nút hai chặng lân cận.
Mặc dầu những giao thức này không thuộc các kỹ thuật phân nhóm, nhưng ảnh hưởng của chúng
lên cấu hình mạng tương tự như các kỹ thuật phân nhóm.

2.2. Thực thi của một thuật toán phân nhóm
Việc thực thi một thuật toán phân nhóm có thể được tiến hành tại một căn cứ trung tâm (ví dụ
như tại một trạm gốc) hoặc theo cách thức phân tán tại các nút nội bộ. Hướng tiếp cận tập trung
thường yêu cầu thông tin về cấu hình mạng. Phương thức phân nhóm kinh điển K-Means (được
đề xuất trong các tài liệu xử lý số liệu) có thể được áp dụng nếu số các nhóm yêu cầu có thể được
xác định trước và các vị trí của nút là hiện hữu. Trong trường hợp này, một tập hợp ngẫu nhiên
ban đầu của các nhóm được lựa chọn và một nút được chuyển đi từ một nhóm này sang các nhóm
khác nếu sự di dời này làm giảm chức năng chi phí mục tiêu ban đầu cho toàn hệ thống. Banerjee
at. al. [10] đề xuất một kỹ thuật tập trung mà không yêu cầu biết trước các vị trí của nút. Kỹ thuật
của họ dựa trên việc xây dựng một cây mở rộng (spanning tree) của các nhóm mà được bắt đầu từ
một người quan sát và việc cưỡng bức một giới hạn tối đa và tối thiểu cho kích cỡ của nhóm.
Giao thức phân bố này được đề xuất ở [10] cho việc xây dựng cây mở rộng.

Tính hiệu quả của các phương thức tiếp cận tập trung bị hạn chế ở các mạng có phạm vi rộng lớn
nơi mà việc thu thập tất cả các thông tin cần thiết được thực hiện ở căn cứ trung tâm cả về mặt
thời gian và tiêu thụ năng lượng. Phương thức tiếp cận phân tán thường phù hợp hơn cho các
mạng có phạm vi rộng. Ở những phương thức tiếp cận phân tán này, một nút quyết định gia nhập
một nhóm nào đấy hoặc trở thành nút chính dựa trên thông tin nhậ
n được chủ yếu từ các nút lận
cận một chặng với nó. Một số các kỹ thuật phân nhóm phân tán đã được đề xuất. Những kỹ thuật
này có thể có tính chất lặp hoặc xác suất.


2.2.1. Các kỹ thuật phân nhóm lặp
Trong các kỹ thuật phân nhóm lặp, một nút thường đợi một sự kiện cụ thể xuất hiện hoặc
các nút nhất định nào đó để quyết định vai trò của chúng (ví dụ như trở thành nút chính) trước khi

đưa ra một quyết định. Ví dụ, ở trong thuật toán phân nhóm phân tán (DCA – Distributed
Clustering Algorithm) [11], trước khi đưa ra một quyết định, một nút thường đợi tất cả các nút
lân cận nó có trọng số cao hơn để quyết định trở thành nút chính hoặc gia nhập các nhóm đang
hoạt động. Các nút có trọng số cao nhất trong số các nút lân cận cách nhau một chặng được lựa
chọn làm nút chính. Nếu một nút nhận được nhiều thông báo của các nút chính, nó sẽ phân xử
giữa những nút chính bằng cách sử dụng điều kiện ưu tiên (tức là, nút có trọng số cao hơn sẽ
thắng). Nếu không có nút nào trong số các nút lân cận của một nút có trọ
ng số cao hơn quyết định
trở thành nút chính, thì chính nút đó quyết định trở thành nút chính. Vấn đề với phần lớn các
phương pháp lặp là ở chỗ tốc độ hội tụ của chúng phụ thuộc vào đường kính của mạng (đường có
số lượng chặng nhiều nhất). Trong một trường hai chiều có n nút đang được triển khai hoạt động,