Tải bản đầy đủ

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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Vũ Anh Hải

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CẤU HÌNH
TRONG MẠNG VÔ TUYẾN AD HOC - SENSOR

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2008


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Vũ Anh Hải

Điều khiển tối ưu cấu hình
trong mạng vô tuyến Ad hoc - Sensor
Ngành: Công nghệ Điện tử — Viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60 52 70

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS. TS. Trần Hồng Quân

Hà Nội - 2008


1

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


2
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


3
Kết luận .................................................................................................................... 77
Tài liệu tham khảo .................................................................................................. 79
Chỉ mục .................................................................................................................... 84


4

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

ACK

Acknowledgement

BIP

Broadcast Incremental Power

CTR

critical transmitting range

CTS

Clear to Send

DSR

Dynamic Source Routing

DT

Delaunay Triangulation

GG

Gabriel Graph

GPS

Global Positioning System

MAC

Medium Access Control

NAV

Network Allocation vector

RA

Range Assignment

RD

Random dierection

RNG

Relative Neighborhood Graph

RTD

Restricted Delaunay Triangulation

RTS

Request To Send

RWP

Random WayPoint

SRA

Symmetric Range Assignment

WSN

Wireless Sensor Network

WSRA

Weakly Symmetric Range Assignment

YG

Yao Graph


5

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 ܴܿܵܿ‫ )݊(ߗ ∈ ܣ‬............................................................ 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


6

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2-1: Giá trị của ߙ 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


7

MỞ ĐẦU
Đ 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.


8

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ MẠNG AD HOC — 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. 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


9
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


10
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.


11


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


12
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.


13


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. 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, timevarying): 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
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.


14


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


15
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,


16
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. 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.


17

Chương 2

MÔ HÌNH MẠNG AD HOC
HO 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. 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 ‫ ݑ‬và bộ thu ‫ ݒ‬được thiết lập nếu và chỉ

nếu công suất của tín hiệu vô tuyến nhận được tại nút ‫ ݑ‬vượt qua một

ngưỡng nhất định, gọi là ngưỡng độ nhạy (sensitivity threshold). Tức là sẽ tồn
tại một liên kết trực tiếp giữa ‫ ݑ‬và ‫ ݑ‬nếu ܲ௥ ≥ ߚ trong đó ܲ௥ là công suất tín
hiệu nhận được tại ‫ݒ‬,và ߚ là ngưỡng độ nhạy. Giá trị chính xác của ߚ 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 ߚ 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 ߚ có giá trị là 1.

Công suất thu ܲ௥ phụ thuộc vào công suất phát ܲ௧ của ‫ ݑ‬và tổn thất đường

truyền (path loss), thể hiện suy giảm tín hiệu vô tuyến gây ra bởi khoảng cách


18
giữa máy thu và máy phát. Ký hiệu ܲ‫ݑ(ܮ‬, ‫ )ݒ‬là tổn thất đường truyền giữa ‫ݑ‬
và ‫ݒ‬.

Ta có thể viết:
ܲ௥ =

ܲ௧
ܲ‫)ݑݒ(ܮ‬

(2.1)

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:

ܲ௥ (݀ ) =

ܲ௧ ‫ܩ‬௧ ‫ܩ‬௥ ߣଶ
(4ߨ)ଶ ݀ ଶ ‫ܮ‬

(2.2)

trong đó ‫ܩ‬௧ là độ lợi anten phát, ‫ܩ‬௥ là độ lợi anten thu, ‫ ܮ‬là hệ số suy hao của

hệ thống không liên quan đến truyền dẫn, và ߣ 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:


19
ܲ௥ (݀) = ‫ܥ‬௙ ∙

ܲ௧
݀ଶ

(2.3)

trong đó ‫ܥ‬௙ (݂ 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:
݀ ≤ ට‫ܥ‬௙ ܲ௧

(2.4)

Hay nói cách khác, vùng bao phủ sóng vô tuyến của một nút phát có

công suất ܲ௧ là khu vực hình tròn tâm tại nút phát và có bán kính ඥ‫ܥ‬௙ ܲ௧ .

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

có thể giả định là một hằng số.

2.1.2.

Mô hình hai — tia mặt đất (two-ray ground
model)

Hiếm khi trực tiếp giữa máy phát và máy thu chỉ có một phương tiện
truyền dẫn vật lý duy nhất có thể truyền tín hiệu vô tuyến. Vì lí do đó, mô
hình không gian tự do thường không chính xác. Để tăng độ chính xác, mô
hình hai – tia mặt đất giả thiết giữa máy phát và máy thu có hai đường
truyền dẫn: đường truyền thẳng và đường truyền phản xạ mặt đất (xem
Hình 2-1).
Trong mô hình này, công suất thu được tại khoảng cách ݀ được tính bởi

công thức:

ܲ௥ (݀) = ܲ௧ ‫ܩ‬௧ ‫ܩ‬௥

ℎ௧ଶ ℎ௥ଶ
݀ସ

(2.5)


20
trong đó ℎ௧ 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 (݀ ≫ ඥℎ௧ ℎ௥ ), bỏ qua các đặc

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

ℎ௧

ℎ௥
݀

Hình 2-1.

Mô hình hai – tia mặt đất: tín hiệu vô tuyến được gửi đi từ
nút ‫ ݑ‬đến nút ‫ ݒ‬bằng một đường thẳng và một đường
phản xạ mặt đất

ܲ௥ (݀ ) = ‫ܥ‬௧ ∙

ܲ௧
݀ସ

(2.6)

Trong đó ‫ܥ‬௧ (‫ ݐ‬ký 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 ܲ௧ là
khu vực hình tròn tâm tại nút phát và có bán kính రඥ‫ܥ‬௙ ܲ௧ .

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.


21
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 ߙ, gọi là số mũ suy hao
đường (path loss exponent). Biểu thức như sau:
ܲ௥ (݀ ) ∝

ܲ௧
݀ఈ

(2.7)

Vùng phủ sóng trong mô hình này là vòng tròn có tâm tại điểm phát và

bán kính tỉ lệ với ഀඥܲ௧ .

Giá trị của ߙ tùy thuộc vào điều kiện môi trường và trong nhiều trường

hợp, nó được định trị bằng các thực nghiệm. Bảng 2-1 Tổng hợp một số giá
trị của ߙ:

Bảng 2-1:

Giá trị của ߙ trong các môi trường khác nhau

Môi trường
Không gian tự do



Khu đô thị

2.7 – 3.5

Trong nhà, LOS

1.6 – 1.8

Trong nhà, không LOS

2.1.4.

2

4–6

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.


22


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. 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 ‫ ݑ‬và ‫ ݒ‬trong mạng phụ thuộc vào:
(i)

khoảng cách tương đối giữa ‫ ݑ‬và ‫ݒ‬,

(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 ‫ܰ ∈ ݑ‬, vị trí của ‫ ݑ‬trong ܴ ký hiệu là ‫ )ݑ(ܮ‬là một tọa

độ ݀-chiều. Hàm ‫ܮ‬: ܰ ↦ ܴ 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


23
gian ‫ ݐ‬vào hàm ‫ܮ‬. Tóm lại hàm ‫ܮ‬: ܰ × ܶ ↦ ܴ sẽ gán cho mọi phần tử của ܰ

và tại mọi thời điểm ‫ ܶ ∈ ݐ‬một tập các tọa độ ݀-chiều, biểu diễn vị trí vật lý

của nút ở thời điểm ‫ݐ‬. Do vậy một mạng ad-hoc ݀-chiều được biểu diễn bởi

biểu thức ‫ܯ‬ௗ = (ܰ, ‫)ܮ‬, trong đó ܰ và ‫ ܮ‬đã được định nghĩa ở trên.

Cho một mạng ‫ܯ‬ௗ = (ܰ, ‫)ܮ‬, một ấn định khoảng (range assignement) cho

‫ܯ‬ௗ là một hàm ܴ‫ ܣ‬thực hiện ấn định cho mỗi nút ‫ ܰ ∈ ݑ‬một giá trị ܴ‫∈ )ݑ(ܣ‬
(0,‫ݎ‬௠௔௫ ሿ biểu diễn khoảng phát (transmitting range) của ‫ݑ‬. Tham số ‫ݎ‬௠௔௫ 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 ‫ݎ‬௠௔௫ sẽ như nhau ở mọi
nút. Trong trường hợp các bộ phát vô tuyến khác chủng loại, thì sẽ lấy ‫ݎ‬௠௔௫

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

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

‫ ݑ‬có thể thu được chính xác. Cho khoảng ‫ ݎ‬là một phân vùng của ܴ mà trong

phạm vi đó có khả năng thu được số liệu chính xác. ‫ ݎ‬phụ thuộc vào số

chiều của mạng: mạng 1 chiều, đó là đoạn có độ dài 2‫ ݎ‬tâm tại ‫ ;ݑ‬mạng 2

chiều, đó là hình tròn bán kính ‫ ݎ‬tâm tại ‫ ;ݑ‬mạng 3 chiều thì đó là hình cầu

bán kính ‫ ݎ‬tâm tại ‫( ݑ‬xem Hình 2-2).

r

r
u

r

u

r

(a)

Hình 2-2.

(b)

(c)

Vùng phủ sóng vô tuyến trong mạng: 1-chiều (a), 2-chiều
(b), và 3-chiều (c). Vùng phủ có bán kính ‫ ݎ‬và tâm tại nút.

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

logarit, ứng với mỗi khoảng phát bất kỳ ‫( ∈ ݎ‬0,‫ݎ‬௠௔௫ ሿ sẽ tồn tại duy nhất một
giá trị công suất phát ܲ௥ ∈ (0,ܲ௠௔௫ ሿ trong đó ܲ௠௔௫ là mức công suất phát lớn
nhất của các nút.


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×