Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Áp dụng lý thuyết hàng đợi để mô hình hóa các thông số trong mạng cảm biến không dây

Dựa vào lý thuyết hàng đợi ta sẽ mô hình hóa mạng WSN vềmột mạng xếp hàng Queuing Network với các nút cảm biến là các nút xử lý hàngđợi Queuing Server.Từ đó ta sẽ đưa ra hai phương thức

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬNGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

3k 3k KK 3k 3k KK

LUẬN VĂN THẠC SỸ

ĐÈ TAI: ÁP DỤNG LÝ THUYET HANG DOI DE MÔ HÌNH HÓA CÁC

THONG SO TRONG MẠNG CAM BIEN KHONG DAY

HVTH : NGUYEN THANH TUAN

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠITRƯỜNG ĐẠI HỌC BACH KHOA —DHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Võ Qué Sơn

(Ghi rõ ho, tên, học hàm, học vi và chữ ký)Cán bộ hướng dẫn khoa học : - 2-5-2252 2 2E£*£2£2E2E+E£E£E££zEsErersree(Ghi rõ ho, tên, học hàm, học vi và chữ ký)Cán bộ cham nhận xét 2 : TS Phạm Quang Thái

(Ghi rõ ho, tên, học hàm, học vi và chữ ký)Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày l5 tháng 7 năm 2014.Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vi của Hội đồng cham bảo vệ luận văn thạc sĩ)1 TS Đỗ Hồng Tuan -

2.PGS TS Phạm Hồng Liên

3 TS Phạm Quang Thái

4 TS Lưu Thanh Trà

5 TS Võ Qué Sơn scscscsc:

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản

lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ

TS Đỗ Hong Tuan TS Đỗ Hong Tuan

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYÊN THANH TUẦN

Ngày, tháng, năm sinh: 26/11/1988 - «<5 55 <2 Nơi sinh: Khánh Hòa

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện TửỬ . - << «<< <2 Mã số : 625070

I TÊN DE TÀI: ÁP DỤNG LÝ THUYET HÀNG DOI DE MO HÌNH HÓACÁCH THONG SỐ TRONG MẠNG CẢM BIEN KHÔNG DAY

II NHIEM VU VÀ NOI DUNG: Sử dụng lý thuyết hàng đợi để mô hình hóa các

thông số trong mạng cảm biến không dây từ đó làm cơ sở để tối ưu các chỉ số

đo hiệu năng trong mạng

Ill NGÀY GIAO NHIỆM VU : 10/02/2014

IV NGAY HOAN THANH NHIEM VU: 20/06/2014v CÁN BO HUONG DAN: TS NGUYEN THI PHƯỢNG KHANH

TS VO QUE SON

Tp HCM, ngay thang năm 20 CAN BO HUONG DAN 1 CHU NHIEM BO MON DAO TAO

(Họ tên và chữ ky) (Họ tên và chữ ký)

TS NGUYÊN THỊ PHƯỢNG KHANH TS HUYNH PHU MINH CƯỜNG

CAN BO HUONG DAN 2

LOI CAM ON

Em xin được gửi lời cám ơn sâu sắc đến TS thầy Võ Qué Sơn và TS côNguyễn Thị Phượng Khanh về sự hướng dẫn chu đáo và tận tình Đặc biệt là thầycô đã dẫn dắt, hướng dẫn cho em cách tư duy, làm việc và tiếp cận vẫn đề một cáchkhoa học, hướng em đến các đề tài khoa học mới mẻ tiếp cận lý thuyết công nghệ

hiện đại.

Em xin chân thành cam ơn thay cô cua khoa Điện-Điện tử Thay cô đã taomọi điều kiện thuận lợi để chúng em được học tập , làm việc và sáng tạo trong một

ngôi trường giàu thành tích của ngành giáo dục Việt Nam.

Con xin gửi lời cảm ơn đến Bồ Mẹ Cám ơn Bố Me đã tạo mọi điều kiện chocon ăn học, hỗ trợ con những lúc khó khăn, là điểm tựa vững chắc cho con trong

cuộc đời.

Tôi xin cám ơn những người anh em trong gia đình, những bạn đã giúp đỡ,

động viên tôi rất nhiều

Tp Hỗ Chí Minh, tháng 6 năm 2014

Học viên

Nguyễn Thanh Tuấn

TOM TAT LUẬN VAN

Hiện nay việc sử dụng cảm biến dé thu thập thông tin dữ liệu môi trường đãtrở nên phố biến Các hệ thống mang cảm biến không dây (Wireless Sensor

Network) ngày càng được mở rộng với nhiều nút cảm ứng hơn Đồng nghĩa với việcdữ liệu truyền và cần xử lý trong mạng cảm biến sẽ tăng lên dẫn đến thời gian chờcủa gói tin trong mạng trở nên đáng kể Luận văn này trình bảy phương án rút ngắnthời gian chờ của các gói tin trong mạng WSN dựa trên cơ sở lý thuyết hàng đợi(Queuing Theory) Dựa vào lý thuyết hàng đợi ta sẽ mô hình hóa mạng WSN vềmột mạng xếp hàng (Queuing Network) với các nút cảm biến là các nút xử lý hàngđợi (Queuing Server).Từ đó ta sẽ đưa ra hai phương thức tôi ưu thời gian chờ củadữ liệu truyền trong hàng đợi va được trình bày thành hai phan Phan 1, ta sẽ tìmcách rút ngăn tổng thời gian chờ trung bình của dữ liệu bằng cách tìm công thứctong quát và dựa vào phương pháp tối uu Lagrange dé tìm giá trị trung bình cực trivới biến số là khả năng xử lý của các nút cảm biến Phần 2, ta sẽ lựa chọn cácđường đi hợp lý cho các gói tin va tính toán so sánh thời gian chờ dit liệu truyềngiữa các đường dé từ đó chọn ra đường đi tức thời tốt nhất Ở phan 2, sau khi đưa raphương án và tính toán dựa trên lý thuyết, chúng tôi thực hiện mô phỏng với côngcụ WinPEPSY và thu được kết quả mô phỏng phù hợp với những gì đã tính toán

Dựa vào đó làm cơ sở dé có những dé xuât ứng dụng thực tiên.

Today,using sensors to collect environmental data has become popular Thewireless sensors networks (Wireless Sensor Network) is extended and increased innumber This means that the data to be processed and transmitted in sensor

networks will be increased so that the packets waiting time in the network becomessignificant This paper presents the plan to shorten the waiting time of the packets inWSN networks based on queuing theory (Queuing Theory) Based on queuingtheory we will model WSN network become a Queuing network with the sensornode is the queuing node (Queuing Server) And we will provide two optimalmethods for waiting times of data in the queue It will be presented in two parts.Part 1, we will find ways to shorten the overall average waiting time of data byfinding its general formula After that we use Lagrange optimization method to findthe minimum average value with the variable is processing capabilities of sensornodes Part 2, we will choose the appropriate path for packets and comparecalculated waiting time between those paths and choose the best route to useinstantly In part 2, after making plans and calculations based on queuing theory, weperformed simulations with WinPEPSY tools and compare the simulation resultswith calculated results Based on the results of theory we consider applying toreality.

GIỚI THIỆU ĐÈ TÀI

Mạng cảm biến không dây là một hệ thống ha tầng bao gồm các phan tử cókhả năng cảm biến được sử dụng với mục đích tính toán thu thập thông tin từ môitrường Việc sử dụng mạng cảm biến không ngày nay trở nên rộng rãi với nhiềumức độ ứng dụng va quy mô khác nhau, từ hệ thống cảm biến chống trộm trong nhàở cá nhân cho đến hệ thống cảnh báo cháy rừng, lũ lụt phục vụ cho đài khí tượngQuốc gia Bên cạnh đó các nút cảm biến ngày càng được tích hợp để thu thập nhiềuloại thông tin hơn dé phục vụ cho nhu cau phân tích dữ liệu ngày một phức tạp vàchỉ tiết hơn Đồng thời việc thu nhận dữ liệu tại các nút thu phát (Sink) cũng đòi hỏisự nhanh nhạy tức thời hơn Và như thé van dé thời gian truyền tải dữ liệu trong

mạng WSN đã được quan tâm nghiên cứu.

Về mặt toán học các nút trong mạng cảm biến có các thông số đặc trưng nhưtỉ lệ nhận dữ liệu trung bình và tốc độ xử lý trung bình Những thông số này khátương đồng với tỉ lệ đến (A) và tỉ lệ phục vu (1) của một máy chủ xử lý trong lýthuyết hàng đợi Việc sử dụng lý thuyết hàng đợi để mô hình hóa mạng WSN sẽgiúp ta toán học hóa các thông số dữ liệu trong mạng va mỗi liên hệ giữa chúng Từđó làm cơ sở sử dụng các công cụ toán học ứng dụng để tìm hướng đi tối ưu hóagiảm thiểu thời gian chờ của các gói tin trong mang WSN

Wireless sensor network is a system includes sensing elements is used for thepurpose of gathering and calculating information from the environment The use ofsensor networks become more widespread today with many field ranging fromanti-theft sensor systems in individual houses to fire , flood warning systems forNational station Besides that the sensor nodes are increasingly integrated to collectmany types of information to serve data analysis is more complex and detailed Andthe acquisition of data at the receiver node (Sink) also requires more agility instant.So that the matter of time data transmission in WSN networks was focused

researchers.

The sensor nodes in WSN have the characteristic parameters such as datarate received average and an average processing speed These parameters aresimilar to the coming rate (A) and served rate (1) of the server processor in queuingtheory The use of queuing theory to model the WSN network will help us to modelparameters of WSN and find the relationship between them in mathematical Andwe can use it as the basis for the application of mathematical tools to find directionto minimize waiting time of the packets in WSN networks.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của tôi, có sự hỗ trợ từGiảng Viên hướng dẫn là TS Võ Quế Sơn và TS Nguyễn Thị Phượng Khanh Cácnội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài nảy là trung thực và do chính bản thân

tôi nghiên cứu

Những lý thuyết b6 sung tong quát trong dé tai được tham khảo sử dụng cóghi trong phan tài liệu tham khảo

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nảo tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

trước Hội đông, cũng như kêt quả luận văn của mình.

TP.HCM, tháng 06 năm 2014

Tác giả

Nguyễn Thanh Tuấn

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THAC SĨ G s+sk S3 E1 23 vEYS vn vn cv rèp iiLOI CAM 090 iiiTOM TAT LUẬN VĂN -G- E121 11111111111 1E 11515115151 1151 11111111 rvree iv

DANH MUC HINH 0122 5

Chu Ong 1 0 eeeeessccccceeesssneeeecceesssnaeeeeceessesneeecceesssaeeeeeeesessaaeeeceseeesaeaeeceeeesesaeeeeeees 8

DAT VAN DE 2 8

Ô))))(¡120//HddỎdỎdỎaadaiẢ 9

TONG QUAN VE MẠNG CAM BIEN KHONG DAY - 5-2555 csesesesesed 92.1 _ Giới thiệu mạng cảm biến không day? ceeceesesssessesssesesesesessesesessesesesseseeeeees 92.2 Cấu trúc của một mang cảm biến không dây: - 2 2552 s+s+5ze: 10

2.3 Công nghệ sử dụng trong mang WSN: LH kh reg II

2.3.1 Tổng quan về công nghệ trong mang WSN: .-cccccccccccreceee II

2.3.2 Phan loại mang WSN: ng 11

2.3.3 Tiêu chuẩn trong mang WSN? ccccccsescsscsesesesessesesessesesecsesesessesesesssseeeseess 1224 Truyén dữ liệu trong mạng WSN2 cccccescssssesesesessesesessesesessesesesseseeesseseeen 122.4.1 Quá trình truyền sóng: - - ¿2 S2 SE+ESEEEEEEEEEEEEEEEEEEEErrrrkrkrrrrkrree 12242 Điều chế tín hiệu trong WSN: c-Se c1 tt HH 1212121111011 11 te 13

24.3 Các giao thức không dây trong WSN Q.1 kh reg 142.5 _ Giao thức vận hành mạng không dây: - -ssS S5 re 152.5.1 Giao thức MÁC: Họ re 15

2.5.2 Giao thức định tuyẾn : + 2565 E123 E515 1112111111111 11111 xe 152.5.3 Giao thức ChUYEN VẬN: 5-5253 E2 1 1 151511 1121111151111 1111 Ly l6

2.6 Van dé dữ liệu trong mạng WSN : c5: c tt 2x2 2v tr 16

2.6.1 Cac mô hình lưu lượng dữ liệu cơ bản : «555552 16

2.6.2 Các thông số dữ liệu đặc trưng trong hệ thông mang cảm biến: 172.6.2.1 Mô hình phân tang của mạng WSN: 55 Sccccccecrsrerrrerree 172.6.2.2 Tốc độ truyền dữ liệu tại mỗi node cảm biến : 2-5: 182.6.3 Hiệu suất thu thập tại mỗi nút cảm biẾn : 5- eeseeeeeeeeeee 182.6.4 Thời gian sống của hệ thống : ccccecccccsessesesessesesssseseseesesesesseseseessseeeseess 192.6.5 Các tiểu chuẩn đánh giá mạng WSN: -5-ccccccccsrcrrrerrrreee 19

2.7 PRAM tÍCH: Q0 kh 20Chu ONg 11 - 21

TONG QUAN VE LY THUYET HANG DOI [14] ccccccccccecesesecescecessessceceeeeeeves 213.1 Gidi thiệu về lý thuyết hàng đợi: occ ec cseeesescscseesesescsceesesestessesesees 21

3.2 Khai niệm va phân loại hàng đỢI : S119 1 he 223.2.1 Khái niỆệm - << c0 re 223.2.2 Phân loại hàng dol: - - c cS S139 91 1 11v 1 vn rrg 22

3.2.2.1 Các phân phối xác suất của dòng tín hiệu và thời phục vụ : 233.2.2.2 Nguyên tắc phục vụ : ccesrirrerierriirrrrriirrrrried 253.2.2.3 Cơ cầu phục VỤ: c2 TT TT TH Hy 25

3.2.3 Phân loại mồ hình Kendall : - «5 5S 1111111 eeeeeee 27

3.3 Các thông số đo hiệu năng trong lý thuyết hàng đợi : - 283.3.1 Tỉ lệ dữ liệu đến trung bình (21) ¿2 5% +s+E+E+££e+Erxsrersrersrree 28

3.4.1 Hang đợi M/M/1 hay M/M/1/00/00/FIFO : ĂẶẶ 2s 31

3.4.2 Hàng đợi M/M/K: Gv 333.4.3 Hàng đợi M/Gj/Ì: HH ng ke 333.5 _ Giới thiệu mô hình hang đợi Jackson c5 xe 34

3.5.1 Dinh nghĩa về hàng đợi Jackson - ¿+ 5-5 c2 £e+Ectseerrerereee 343.5.2 Sơ đồ mạng Jackson: 6-5562 S*2ESEEEEEEEEEEeErrrrerrree 343.6 _ Những tính chất trong mang hàng đợi Jackson : -5-555+52 5555: 353.6.1 Tinh chất của luéng dữ liệu trong mạng Jackson: - 353.6.2 Các thông số kết quả trong mạng Jackson: - 2 2 5s+s+5sc5¿ 36

Chu Ong -nddd-::.ố.iồỎồồồỒỒỒ 38

MO HINH HOA MANG CAM BIEN KHONG DAY BANG LY THUYET HANG

| 0) eee 38

4.1 Mô hình hóa mang cam biến không dây bang lý thuyết hang đợi: 384.1.1 Mô hình hóa một nút cảm biẾn: - - se xxx EsEsESEeEevEeEseserees 384.1.2 Mô hình hóa một mang WSN theo lý thuyết hàng đợi: 394.2 _ Giải quyết van dé tôi ưu thời gian chờ trung bình trong mang WSN với một

mức chi phí xây dựng mạng cho ẦTƯỚC - - - << 5 + + 11119903011 1995 1 n9 1 re 40

4.2.1 Đặt vấn đỀ: - kh T H111 TT 11111 1T H1 TT HT ng 404.2.2 Phương pháp tối ưu Lagrange [ 15], - - 2 252 s+s+e+eeeerszeresree 44.2.3 Tối ưu thời gian đợi trong hệ thống dựa vào phương pháp Lagrange: 414.2.4 Kiếm tra dưa trên mô phỏng toán học : . - 552 s+s+szsscs+2 434.2.5 _ Đánh giá kết quả chương 4 + 25656 EE+EEEEE£EESEEErkrkrrrrerees 53

Ch ON n0 4 -ö3535Õ- 54

PHAN TÍCH VÀ MO PHONG TIM DUONG ĐI TỨC THỜI TOT NHẬT TRONGMẠNG WSN DỰA VÀO LÝ THUYET HÀNG ĐỢII - 5 + + se s£sesesxe: 545.1 Van dé tìm đường di tức thời tốt nhất trong mang WSN: 545.2 Tính toán tìm đường đi tốt nhất - - + 2+2 +s+E+E+E£E+E£E+EeEzrkrkrerereee 545.2.1 Lý thuyết tìm đường đi phù hợp + - +52 s+x+cccezxsrererrereree 545.2.2 Thực hiện phân tích tìm đường đi tốt nhất 5-5-5555s5s+scs¿ 575.3 Mô phỏng tìm đường đi tức thời tốt nhất cho mang hàng đợi 63

5.3.1 _ Giới thiệu công cụ mồ phỏng : cĂ S1 h ke 63

5.3.3 Các thành phan chính trong mang giả lập: . -5-5-5555¿ 63

Hình 2.7 : Giao thức MAC trong mạng WSN [13] 2-2222 15

Hình 2.8 : Cau hình 2 lớp của mang WSN [13] cscsccscsssccsessesesesesesessesesesesseseeeeees 18

Chu ONg 11 - 21

Hình 3.1 Mô hình hàng đợi tong quat cccccccccescssesesesesesscsssessesssesseseseessseseseess 22Hình 3.2 : Mô hình hàng đợi với các yêu tố cơ bản.[ Í4| -c-scec+s+e+sssesez 23Hình 3.3 : Các dạng hệ thong hàng đợi [ Í4| << vsseeeessesss 26Hình 3.4 : Sơ đồ trạng thái của hệ thông hàng đợi M/M/1 -5-55¿ 32

Hình 3.5: Nút xử lý trong mạng Jackson [1] - «<< << eesssssssseeeeess 35

Hình 4.3 : Mô hình hóa mạng WSN theo mồ hình Jackson - 40

Bang 4.4: Ti lệ tới dt đến của dữ liệu mạng hình 4.2 « «<< <<s+++2 43Bảng 4.5 : Xác suất truyền dữ liệu giữa các nút xếp hàng trong hình 4.3 43Bảng 4.6 : Tỉ lệ phục vụ tối ưu của các nút trong hệ thong mạng hình 4.2 4

Bang 4.6 : Bang giá tri lân cận cực tri của T với biến là In 45

Hình 4.9 : Đồ thị thời gian trễ trung bình trong mạng theo [po - 46

Hình 4.11 : Đồ thị thời gian trễ trung bình trong mạng theo [lg - - 47

Bang 4.12 : Bang giá tri lân cận cực tri của T với biến là II 47

Hình 4.13 : Đồ thị thời gian trễ trung bình trong mang theo [4 - 46

Bảng 4.14 : Bảng giá trị lân cận cực trị của T với biến là im 48

Hình 4.15 : Đồ thị thời gian trễ trung bình trong mang theo Us - 49

Bảng 4.16 : Bảng giá trị lân cận cực trị của T với biến là II 49

Hình 4.17 : Đồ thị thời gian trễ trung bình trong mang theo [6 - 50

Bang 4.18 : Bang giá tri lân cận cực tri của T với biến là 50

Hình 4.19 : Đồ thị thời gian trễ trung bình trong mang theo It; - 51

Bang 4.20 : Bang giá tri lân cận cực tri của T với biến là LUT 51

Hình 4.21 : Đồ thị thời gian trễ trung bình trong mạng theo [lg - 52

Bang 4.22 : Bang giá tri lân cận cực tri của T với biến là II 52

Hình 4.23 : Đồ thị thời gian trễ trung bình trong mang theo [lo - 53

Bang 4.24 : Bang giá trị lân cận cực tri của T với biến là II P 53

Ch ON n0 4 -ö3535Õ- 54

Hình 5.1 : Lưu đỗ giải thuật chọn đường đi ¿5555252 +s+ccecesrereceee 56Hình 5.2: Sơ đỗ mạng WSN2 với các thông số thông kê - 2-5555: 57Hình 5.3: Mô hình hóa mạng WSN2 với theo mồ hình mạng Jackson 58

Bang 5.4: Khả năng xử ly cua các nút hang đợi trong mo hình 5.2 58

Bảng 5.5 : Xác suất truyền dữ liệu giữa các nút xếp hàng trong mô hình 5.2 59

Bảng 5.6 : Tỉ lệ dữ liệu đến tại các nút hàng đợi trong mo hình 5.2 59

Bang 5.7 : Thời gian chờ trung bình tại từng nút hàng đợi trong WSN2 60

Bảng 5.8 : Tong thời gian trễ trung bình của các đường đi đến đích từ nút 1 61

Hình 5.9 : Đồ thị phân tích thời gian trễ trung bình các đường đi đến dich từ nút 1¬— ốỐốỐỔỐỔỐ 61Bang 5.10 : Tổng thời gian trễ trung bình của đường đi đến dich từ nút 2 62Hình 5.11 : Đồ thị phân tích thời gian trễ trung bình các đường đi đến đích từ nút

Hình 5.12 : Mang gia lập mô hình hàng đợi hình 4 2 - 57 << << <<<++2 65Hình 5.13 : Phương thức mô phỏng - - << 5 + 190 1 ng re 65

Hình 5.14: Kết quả tính toán mô phỏng thời gian đợi tại các nút 66

Bảng 5.15 : Kết qua mô phỏng thời gian trễ trên các đường đến đích của nút 1 66

Hình 5.16 : Đồ thị kết quả mô phỏng thời gian trễ đường đi đến đích từ nút 1 67

Bang 5.17 : Kết quả mô phỏng thời gian trễ trên các đường đến đích của nút 2 67

Hình 5.18 : Đồ thị kết quả mô phỏng thời gian trễ đường đến dich từ nút 1 68

Hình 5.19 : So sánh thời gian chờ trên các đường di từ nút 1 đến dich 68

Hình 5.20 : So sánh thời gian chờ trên các đường đi từ nút 2 đến dich 69

00:01 70

Chương 1

ĐẶT VAN DE

Những tiến bộ của khoa học công nghệ hiện nay đã kéo theo sự phát triểnvượt bậc của mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) Những nútcảm bién mới được cải tiễn về nhiều mặt: tốc độ thu thập thông tin, tốc độ xử lý vàkhả năng thu thập thông tin đa dạng Mạng cảm biến cho phép truy nhập thông tinmọi lúc mọi nơi băng cách thu và truyền dữ liệu phân tán tạo một môi trường làmviệc thông minh cho các ứng dụng Cùng với việc bùng n6 của sự đa dang và dadụng của mạng cảm biến kéo theo những yêu cầu về năng lực hoạt động và hiệusuất của mạng cảm biến Do những đòi hỏi đáp ứng về thời gian gần như ngay lậptức của mạng cảm biến, tốc độ truyền tải thông tin trong mang cảm biến trở thànhmột van dé quan trong.Chinh vi vậy luận văn nảy sẽ tập trung nghiên cứu về van déthời gian truyền dữ liệu trong mạng cảm biến Luận văn trình bày thành hai phầnvới hai hướng nghiên cứu nhăm tối ưu thời gian truyền tải dữ liệu trong mạng

WSN:

e Lấy thời gian chờ trung bình khi truyền dữ liệu trong mạng làm đối tượngcần tối ưu và giải quyết bài toán thông qua việc chọn các thông số khả năngxử lý phù hợp cho các nút cảm biến trong mạng

e Lấy thời gian truyền dữ liệu tức thời trong mạng làm đối tượng cần tối ưu vàgiải quyết bài toán thông qua việc tìm các đường đi tức thời có độ trễ bénhất

cảm biên trong đó các kết nôi giữa các node cảm biên băng sóng vô tuyên.

Ngày nay việc sử dụng mạng cảm biên đã trở nên rộng rãi với nhiêu ứng

dụng trong nông nghiệp, chăn nuôi, công nghiệp, quân đội cho đến hệ thống báo

động tại nhà.

1) Earthquake or eruption occurs2) Nodes detect seismic event3) Each node sends event reportto base station

‘Pe

GPS receiverfor time sync

Base station FreeWaveat observatory , radio modem

a Long-distance

a radio link (4km)

Hình 2.1 Ứng dụng của mang cảm biến không dây trong dự báo thiên tai

[Wikipedia]

2.2 Cấu trúc của một mạng cảm biến không dây:

Một mạng cảm biến được cấu thành từ các thành phan chinh sau:¢ Các cảm biến được phân bố theo mô hình tập trung hay phân tán.- Kết ni liên kết các cảm biến (hữu tuyến hoặc vô tuyến)

¢ Điểm tập hợp dữ liệu (clustering)¢ Hệ thong xử lý dữ liệu trung tâm

Remote Sensor C) e Remote Sensor

—————-Wireless C) 2b uc Single-hoplinks ` “4 ® O

\ Muiti-hops processing node) \Yor

( | Final Processing NodeHình 2.2 Mô hình thông thường của một mang cam biến không dây [13]

2.3 Công nghệ sử dụng trong mang WSN :

2.3.1 Tổng quan về công nghệ trong mạng WSN:Trong mạng WSN, cảm biến được xem như là phần quan trọng nhất phục vụcho các ứng dụng Công nghệ cảm biến rất đa dạng từ cảm biến từ trường, nhiệt,ánh sáng Có nhiều ứng dụng trong an ninh, sinh hóa

Mạng WSNs có một số đặc điểm như:công suất bị giới hạn, thời gian hoạtđộng bị hạn chế do nguồn cấp năng lượng, số lượng lớn các node cảm biến

Hiệu quả sử dụng công suất của WSNs về tổng quát dựa trên 3 tiêu chí:

¢ Vai trò của các node sensor này với các node kế tiếp như là các trạm lặp

(repeater)

¢ Khoảng cách rất lớn (hàng ngàn mét).¢ Khả năng xử lý dữ liệu ở các node chuyên tiếp

¢ Mạng phức tap.Loại 2 (C2WSNs):

‹ Mô hình đa diém-diém hay diém-diém, 1 kết nối radio đến node trung tâm.- Sử dụng giao thức định tuyến tinh

1 node không cung cấp thông tin cho các node khác

¢ Khoảng cách vai trăm mét

* Node chuyền tiếp không có kha năng xử lý dữ liệu cho các node khác.‹ Hệ thống tương đối đơn giản

Trong Luận Văn này chúng ta sẽ nghiên cứu dựa trên mô hình mạng WSNloại 1 (CIWSNs).

2.3.3 Tiêu chuẩn trong mang WSN:Tiêu chuẩn tan số đang được áp dụng cho WSNs là IEEE 802.15.4.Hoatđộng tại tần số 2.4GHz trong công nghiệp, khoa học và y hoc(ISM), cung cấpđường truyền dữ liệu với tốc độ lên đến 250kbps ở khoảng cách 30 đến 200 feet.Zigbee/IEEE 802.15.4 được thiết kế dé bổ sung cho các công nghệ không dây như

là Bluetooth, Wifi ,Ultrawideband (UWB), mục đích phục vụ cho các ứng dụngthương mại.

2.4 Truyền dữ liệu trong mang WSN:

2.4.1 Quá trình truyền sóng:Truyền di liệu dùng trong mang WSN thường là dạng sóng trong khônggian tự do Sóng phát ra từ nguôn đăng hướng và năng lượng sẽ tỉ lệ nghịch vớikhoảng cách : [1/(distanee)“] Trong môi trường truyền không phải là không gian tựdo ( cáp đồng trục, vật liệu xây dựng, tòa nhà, vật cản ) dữ liệu sẽ bi suy hao

2.4.2. Điều chế tín hiệu trong WSN:Dạng điều chế thường được dùng là điều chế biên độ (AM), điều chế tần số(FM), điều chế pha (PM) Một số dạng điều chế số tương ứng là ASK, FSK ,PSK,

QAM.

Đối với kênh truyền số, dung lượng kênh truyền tối đa C của hệ thống đơnsóng mang có băng thông phổ W, định nghĩa bởi công thức Shannon:

C = Wlogs(I+S/N)Trong đó:

- S$ là công suat tín hiệu thu được.- N là công suât nhiêu ( kênh truyền giả sử có tác động nhiêu Gaussian)

Per Baud

(R/B)

10.0 _|

+ a eanShannon's Limit —— 20am S49AM renal

Sik 16Q0AM o—— 16PSK Modulation — ‘offic <i

ee BPSK BDPSK 16QAM 4 bits/second/Hz.“ = 2PSK 32QAM § bits/second/Hz

SE 64QAM _ 6 bits/second/Hz

L Lá 2560ANM 8 bits‘second/Hz

0.1 ' “ tu” Noise` = = atio0 5 10 1 20

F (dB)

Hình 2.4 : Biểu đồ đánh giá hiệu qua các kỹ thuật điều chế số [13]

2.4.3 Các giao thức không dây trong WSN

Có nhiều giao thức không dây,được sử dụng khá rộng rãi là IEEE 802.15.1

(Bluetooth), IEEE 802.1 1a/b/g/n wireless LANs, IEEE 802.15 4 (ZigBee),

Man-scope IEEE 802.16 (WiMax) va kỹ thuật nhận dạng bang sóng vô tuyến (RFID)

Mỗi tiêu chuẩn có các ưu điểm và han chế riêng Hình 1.7 mô tả một vaigiao thức truyền dẫn không dây

SHORT

Paramé tric Sanger Applications

Video based Sensor Ap pications

(*) Up & 288 Mbps

(# ) Upto 108 Mbps

Hình 2.5 : Dé thị so sánh các giao thức truyền dan không dây phố bién[13]

Bảng 2.6 sau đây sẽ đưa ra một vài so sánh giữa các giao thức

IEEE StandardDac tinh 802.11 802.15/Bluetooth 802.15.4/ZigBeeKhoang cach ~100m ~10—100m ~10m

Tốc độ dit liệu ~2 — 54Mbps ~1— 3Mbps ~0.25MbpsCông suất tiêu thụ Trung bình Thap Cực thapThời gian sông của pin Phút - vài giờ Giờ - vài ngày Ngày — vài nam

Kích thước Lớn Nhỏ hơn Nhỏ nhật

Ti số chi phí/độ phức tap >6 l 0.2

Hình 2.6 : Bang so sánh ưu khuyết các giao thức truyền dẫn không day[13]

2.5 Giao thức vận hành mang không day:

2.5.1 Giao thức MAC :

Các giao thức MAC ảnh hưởng đến tính hiệu quả và độ tin cậy trong quátrình truyền dữ liệu theo mô hình hop-by-hop Các giao thức MAC đang định nghĩachuẩn IEEE 802 có thé không hoàn toàn thích hợp cho mang WSN vì van đề về mặthiệu suất sử dụng năng lượng Các giao thức MAC tổng quát có thé gây ton hao

năng lượng do các nguyên nhân:

e Việc đụng độ gói trên các kênh truyền dùng chungsẽ gây lãng phi do việctruyền lại gói tin

e Tiêu hao năng lượng do thông điệp điều khiến giao thức.e Overhearing va idle listening có thé gây lãng phi năng lượng

Đề giao thức MAC có thể được sử dụng hiệu quả trong mạng WSN thì mạngphải có sự thiết kế hiệu quả sát với thực tế giảm các chỉ số đụng độ gói, overhead

cho điêu khiên, giảm độ trê

< : sài ‘e! ‘o- — ad

2.5.3 Giao thức chuyền vận:Trong giao thức chuyên vận của mang WSN yếu t6 quan trọng nhất là kỹthuật điều khiển nghẽn và độ tin cậy Độ tin cậy thé hiện ở việc truyền đúng góiphải được đảm bảo tối đa.Ngoài ra khi thiết kế giao thức chuyển vận cho WSN cần

phải chú ý sự công băng dữ liệu nhăm tránh sự quá tải giữa các nút.

2.6 Vấn đề dữ liệu trong mạng WSN :

2.6.1 Các mồ hình lưu lượng dữ liệu cơ bản :

Có bốn mô hình lưu lượng được dùng cho WSN là :

- Event-based delivery- Continuous delivery- Query-based delivery- Hybrid delivery.

Event-Based Delivery:

Các nút cảm biến giám sát sự kiện một cách thụ động và liên tục Khi một sự

kiện xảy ra, nút cảm ứng được tường trình sự kiện về trạm sốc Khi dữ liệu được

phân phát về trạm gốc, giao thức định tuyến tìm một đường đến trạm gốc Phươngpháp định tuyến này được gọi là định tuyến theo nhu cầu Nếu một sự kiện xảy rathường xuyên có thé gây ra việc tiêu thụ năng lượng quá nhiều

Hiệu quả định tuyến đối với mô hình phân phối này phụ thuộc nhiều vào tầnsố suất hiện của sự kiện Một giải pháp là cài đặt một tuyến động nếu các sự kiệnxảy ra thường xuyên, ngược lại tuyến được lập theo nhu cầu

¢ Continuous Delivery:

Dũ liệu thu thập bởi các node cần được tường trình thường xuyên, liên tục

hay theo chu kỳ.

¢ Query-Based Delivery:

Trong mô hình phân phối này, trạm gốc phát quảng bá thông điệp truy vẫn,một tuyến được xây dựng tự động khi truy vẫn đến nút cảm biến và nút sẽ báo cáotương ứng với yêu cầu trong thông điệp truy vấn.

¢ Hybrid Delivery:

Trong mot số mạng WSN, dạng cảm biến và dữ liệu chúng cảm nhận đượccó thé rất lớn Ví du, đữ liệu có thé được báo cáo liên tục bởi các node và trạm gốccần thông tin truy vẫn từ những node khác

Trong luận văn này ta sẽ do áp dụng lý thuyết hàng đợi dựa trên các thông sốmang tính thống kê là chủ yếu nên ta sẽ sử dụng mô hình “Event Base Delivery” vàcác tuyến dùng thường xuyên sẽ được đặt dựa trên xác suất truyền tin giữa các nodecảm biến

2.6.2 Các thông số dữ liệu đặc trưng trong hệ thống mạng cảm biến:2.6.2.1 Mô hình phân tầng của mạng WSN:

Tất cả các node cảm biến (N) trong mạng sắp xếp thành cấu hình đa tầng.Các node ở lớp thấp hơn gọi là leaf node Các node ở lớp cao gọi là leader node Tạilớp cao, có N¡ leader node tao một cau hình k-tree với h+1 mức (hay h bước) từtrạm gốc, trong đó mỗi leader node ở mức i kết nối k child node tại mức i+ 1 đếnparent node của nó tại lớp (i-1) Mỗi leader node có c leaf node Số leaf node ở lopthấp hơn (N>) phát luồng dữ liệu và chuyên trực tiếp đến leader node phải qua một

bước.

Level 1: Level 2: Level 3: Level h+1:1 leader k leaders k2 leaders kh leaders

c leaf nodes O

c leaf nodes

Hình 2.8 : Cau hình 2 lớp của mang WSN [13]2.6.2.2 Tốc độ truyền dữ liệu tại mỗi node cảm biến :Tất cả các node cảm biến được phân bố tương đương và rộng trên một khônggian để giám sát các sự kiện Mỗi node giả sử rằng có kích thước bộ đệm đủ lớn để

không xảy ra mat gói do tràn bộ đệm Mỗi node phat báo cáo về sự kiện độc lập và

đồng nhất theo quá trình phân phối Poisson

Kỹ thuật điều khiển luồng và nghẽn giữa trạm gốc và các node cảm biến phảiđảm bảo tổng tốc độ dữ liệu tập hợp (r.) của tất cả các node cảm biến phải nhỏ hontốc độ chuyền tối đa (R) của leader node tai mức 1: r-<R dé nghẽn không xảy ra

Điều khiến luồng và nghẽn có thé đưa đến hai dạng:- Per-node fairness: tat cả các nút được truyền dữ liệu như nhau- Max-min fairness.: cung cấp sự công băng tỉ lệ theo các node gan trạm

gốc hơn có thé được cấp tốc độ dữ liệu cao hơn.2.6.3 Hiệu suất thu thập tại mỗi nút cam biến :

Mỗi node lớp cao hon (leader node) nhận dữ liệu từ cdc leader node khác (k),

leaf node (c), cũng như phát dữliệu Leader node tập hợp hay nén dữ liệu của

chính nó hay từ các leaf node Tốc độ dit liệu từ node i (r,) được nén đến : 0 <r; <r;

Hiệu suất thu thập được tính như sau:

2.6.4 Thời gian sống của hệ thong :Mỗi node cảm biến có năng lượng tôi đa là E Định nghĩa thời gian sống củahệ thống là khoảng thời gian từ lúc bắt đầu cho đến khi leader node tại mức 1 dùnghết năng lượng của nó Tất cả các node là tĩnh và không có điều khiến thích nghỉcông suất được dùng

2.6.5 Các tiêu chuẩn đánh giá mang WSN:Mạng cảm biến không dây khác với các mạng thông tin truyền thống do đónhiều thông số khác cần được đánh giá:

‹© Thời gian sống của hệ thống.¢ Hiệu suất sử dụng năng lượng: số gói có thé được truyền thành công dùng

một đơn vi năng lượng Dung độ gói tại lop MAC, overhead cho định tuyến, mat

gói, và truyền lại các gói lam giảm hiệu suất sử dụng nang lượng

¢ D6 tin cậy: trong WSN, độ tin cậy được dùng như một thông số dé đánh

giá sự tin cậy sự kiện được cảm nhận có thể được báo cáo đúng về trạm sốc Độ tin

cậy có thé được định nghĩa là tỉ số của gói nhận thành công so với tong số gói được

phát.

¢ Độ bao phủ: bao phủ toàn bộ bởi một mạng cam biến nghĩa là khoảngkhông gian đó được giám sát bởi các node cảm biến Nếu một node cảm biến trởnên không hoạt động vì suy giảm năng lượng, một vùng không gian có thể khôngđược giám sát nữa Độ bao phủ được định nghĩa là tỉ số không gian được giám sáttrên không gian gốc

- Khả năng liên kết: Trong mang WSN, mạng có thé trở nên tách rời bởi vìmột vai node không hoạt động Khả năng liên kết được dùng để đánh giá mạngđược kết nối như thế nao hay có bao nhiêu node bị cách li

¢ QoS: một vài ứng dụng trong WSN có đặc tính thời gian thực Các ứng

dụng này có thếcó yêu cầu QoS như trễ, tỉ lệ mat va băng thông

2.7 Phân tích:

Với một mạng WSN có tính ứng dụng thực tế cao như cảnh báo thiên taihoặc dùng trong quốc phòng Những hệ thống này có mạng lưới lớn và yêu cầu caovề tiêu chuẩn thời gian thực như độ trễ của gói tin Từ đó nhữung phương pháp tốiưu hệ thống WSN để làm giảm độ trễ trong việc truyền dir liệu đã được đưa ra nhưtăng cường khả năng xử lý của các nút cảm biến hoặc thay đổi mô hình mạng WSNphù hợp Nhưng việc tăng cường khả năng xử lý của cảm biến sẽ kéo theo gánhnặng vé chi phí còn việc thay đổi tối ưu mô hình mang WSN có thé làm suy giảmnhững thông số vẻ độ bao phủ của mạng

Việc dựa trên việc mô hình hóa một mạng WSN có mô hình lưu lượng

“Event-Based Delivery” và điều khiến “Per-node fairness” sẽ dễ dàng hơn Donhững mô hình này các thông số và đường đi dữ liệu sẽ được xây dựng dựa trên sốliệu thống kê Từ đó ta có thé áp dụng lý thuyết hàng đợi lên mô hình dé tối ưunhững thông số nội tại của mạng như khả năng xử lý của nút cảm biến hoặc đườngđi của gói tin với mục đích chung là làm giảm độ trễ truyền tin trong mạng

Chương 3:

TONG QUAN VE LY THUYET

HANG DOT [14]

3.1 Giới thiệu về lý thuyết hàng đợi:

Lý thuyết hàng đợi nghiên cứu về các trường hợp khách hàng hoặc các loạidữ liệu cần xử lý chờ trên một hàng đợi để được sử dụng dịch vụ từ một hoặc nhiềubộ xử lý dịch vụ Việc chờ đợi đến lượt phục vụ có thể gây lãng thời gian và tảinguyên hệ thống nếu việc phân bố khách hàng đến từng hệ thống không đồng đều.Có khi một số khách hàng sẽ bị từ chối phục vụ nếu vượt quá số lượng cho phép

trong hàng đợi Lý thuyết hàng đợi nghiên cứu và tối ưu dé đạt hiệu suất phục vụ của

hệ thống tốt nhất

Lý thuyết hàng đợi ngày nay có sự ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực từkỹ thuật: hệ thống viễn thông, mạng máy tính cho đến trong lĩnh vực kinh tế nhưviệc tính tiền trong siêu thị, xếp hang đậu xe, bưu chính Lý thuyết hang đợi concung cấp cơ sở khoa học cho những nghiên cứu mang tính vĩ mô như tính toán đầutư , bảo hiểm, chứng khoán

Trong lý thuyết hàng đợi các số đo hiệu năng được quan tâm sẽ là độ dàitrung bình của hang đợi trong hệ thông va trong hàng chờ, thời gian chờ trung bìnhcủa khách hang trong hệ thống và trong hàng đợi Những chỉ số này sẽ được tìm dựatrên các công thức tính phân bố 6n định cho các loại hàng đợi cụ thé như M/M/1 ,

M/M/k.[1,2]

Hướng ứng dụng vào dé tài: Một trong những bai toán quan trọng của mangWSN là van dé độ trễ thông tin, nghẽn mạch hoặc gói tin truyền lỗi Lý thuyết hàngđợi sẽ xác lập phương án tối ưu dé khắc phục những van đề trên

3.2 Khai niệm và phân loại hang doi:

3.2.1 Khái niệm

Mô hình tổng quát của lý thuyết hàng đợi là khách hàng tới theo những phânbó ngẫu nhiên, xếp hàng chờ đến lượt phục vụ ( nếu hệ thống đang bận xử lý) và sẽđược phục vụ theo một phân bố nhất định

Output

| SERVER

Hình 3.1 Mô hình hang đợi tổng quát

Input

3.2.2 Phan loai hang doi:

Có nhiều cách dé phân biệt các hàng đợi nhưng tổng quát ta có thé dựa trênnhững đặc tính cơ bản của hàng đợi để phân loại chúng như sau:

= Phân bố của quá trình đến= Phân bố của thời gian phục vụ= Nguyên tac phục vụ

= Cơ câu phục vụ

Nguồn vào Các khách hàng yêu

câu và tìm kiêm dịch vụ

œ Quá trình đến

Quá trình đến trung gian t,

Độ TT Hàng đợidai —— -Dung lượng:

¬ hàng —— Hữu hạn hoặc vô hạn

Độ dài đợi - Quy tac phục vu:

hang FIFO hoac LIFOdoi

a Phân phối Poisson :Phân phối Poisson là một phân phối xác suất rời rạc với thông tin cho biết làtrung bình số sự kiện diễn ra trong một khoảng thời gian nhất định Trong hệ thống

Thông tin biết trước là số tín hiệu đến trung bình trong một khoảng thời gian (kí hiệuÀ.) Với một số điều kiện nhất định có thé coi X tuân theo luật phân phối xác suất

Poisson như sau:

Tinh duy nhất : Một dòng tín hiệu có tính duy nhất khi không có nhiều hơn

hai tín hiệu xuât hiện trong cùng một thời điêm.

Tinh dừng : Một dòng tín hiệu có tính dừng nếu xác suất xuất hiện tín hiệu chỉ

phụ thuộc vào thời lượng của khoảng thời gian cho trước không phụ thuộc vào thời

điểm khởi đầu khoảng thời gian đó

b Phân phối ma :Phan phối mũ là một phan bố xác suất liên tục dùng thể hiện các sự kiện xảyra theo một tỉ lệ trung bình là hăng số Trong mô hình hàng đợi phân bồ thời gianxử lý sẽ tuân theo phân phối mũ

Hàm mật độ xác suât của phan phôi mũ là :

- FIFO ( First In First Out) : đối tượng nào đến trước sẽ được ưu tiên sử

dụng dịch vụ trước.

- LIFO (Last In First Out) : đối tượng nào yêu cầu dịch vụ gan hơn sẽ

được ưu tiên phục vụ trước

- RSS (Random Selection for Service) : các đối tượng yêu cau dịch vụ

sẽ được lựa chọn ngâu nhiên

3.2.2.3.Cơ cầu phục vụ:Một hệ thống hang đợi được cau thành từ nhiều yếu tô mà cơ bản là hệthống dịch vụ cung cấp trong hàng đợi và số lượng kênh xử lý cho từng hệthống dịch vụ

Single Channel — Single Server (Một kênh phục vụ, một loại dịch vụ)

Multi Channel — Single Server (Nhiéu kênh phục vu, một loại dich vu)

3.2.3 Phân loại mo hình Kendall :

Kendall (1951) đã đưa ra ký hiệu A/B/C/K/N/D dé mô tả các tham số cơ bảncủa hệ thong hang đợi thường được tóm tắt dưới dạng A/B/C/K/D

Các kí hiệu được giải thích qua bảng sau :

A Phân bô dữ liệu đếnB Phân bồ thời gian phục vụC Số Server

K Số lượng chỗ trống trong hang đợiN Số lượng khách hàng

D Nguyên tắc phục vụ

Các kí hiệu cho kiêu phân bô của A và B như sau:

Kí hiệu G : thé hiện kiểu phân bố tong quát- _ Kí hiệu M (Markovian) : thé hiện cho phân phối Poisson với quá trình dữ

liệu đến và phân phối mũ cho phân bố thời gian xử lý dữ liệu.- E,: thé hiện phân bố kiểu Erlang —k

D: thé hiện phân bố là hăng sốVí dụ ta có một hệ thống hang đợi được biểu diễn theo mô hình Kendall làM/M/1/œ/œ/FIFO thì diễn giải các đặc tính hệ thông sẽ là : phân phối dữ liệu đếntheo Poisson, phân phối thời gian xử lý theo phân phối mũ, có 1 server xử lý, khônggiới hạn số chỗ trồng trong hàng đợi và lượng khách đến Hệ thống phục vụ theo

nguyên tac ai yêu cau dịch cụ trước sẽ được ưu tiên trước.

3.3 Cac thông số đo hiệu năng trong lý thuyết hàng đợi :

Các thông số hiệu năng của mạng hàng đợi là phần quan trọng thể hiệnkhả năng đáp ứng của mạng đối với các yêu cầu dịch vụ Những thông số nàycó quy luật và công thức tính riêng đối với từng thông số Cụ thể như sau :

3.3.1 Tỉ lệ dữ liệu đến trung bình (2)Tỉ lệ dữ liệu đến trung bình chỉ ra "số kì vọng dữ liệu đến tới trong một

khoảng thời gian ” kí hiệu là "A"(lambda).

Thời gian dữ liệu đến trung bình được tính thông qua tỉ lệ dữ liệu đến nhưbiểu thức sau

Ví dụ : Một của hàng có kì vọng là 20 khách đến trong vòng Igiờ Tỉ lệ tớitrung bình A= 20 lần khách hàng tới trong một giờ Thời gian khách đến trung bình=1/20 giờ cho mỗi lần khách hàng đến = 3 phút cho mỗi lần khách hàng đến Trungbình cứ mỗi 3 phút sẽ có khách đến

Nếu >2 hay 1/u < 1/2 là đúng trong hệ thống hang đợi, thì hệ thống nàyđược gọi là trong “điều kiện trạng thái ôn định”

3.3.3 Cường độ hoạt động của hệ thống (p):Cường độ hoạt động hệ thống biéu diễn cho "phan số ki vong về thời gian tàinguyên hệ thống trong trạng thái phục vụ" kí hiệu là p Thông số này được tínhthông qua biểu thức sau:

Tỉ lệ dữ liệu đến trung bình

Cường độ wong độ hoạt dong Tỉ lệ phục hoạt động = vụ trung bình

_ Thời gian phục vụ trung bình

Thời gian đến trung bình

cường độ lưu thông

số khách hàng trung bình trong hệ thống = + —cTẺ 11ưu thông

N =—— (3.8)

3.3.5 Thời gian đợi trung bình trong hệ thống (T):Thời gian đợi trung bình trong hệ thống là "thời gian đợi được kì vọng trong

lượng khách hàng trung bình trong hệ thống và thời gian đến trung bình của kháchhang Dang thức cụ thé như sau :

Thời gian đợi trong hệ thống = Số khách hàng trung bình trong hệ thống x

Thời gian tới trung bình.

1

3.3.6 Độ dài hang đợi trung bình của hệ thong (Nq)Độ dài trung bình hàng đợi là "chiêu dài hàng đợi dự kiến (không kế khách

hàng đang được phục vu)", kí hiệu là Nq Độ dài trung bình hàng đợi được tính từ

độ dài trung bình hệ thong (N) và cường độ lưu thông (p) Cụ thể như sau :

Độ dài trung bình hàng đợi

= Độ dài trung bình hệ thống x Cường độ lưu thông_ (Cường độ lưu thông)“

~ (1— Cường độ lưu thông)

3.3.7 Thời gian trung bình trong hang đợi (W):

Thời gian trung bình của khách hàng trong hàng đợi là "thời gian đợi kì vọng

trong hang chờ (không liên quan đến thời gian phục vụ)", kí hiệu là W

Thời gian trung bình trong hàng đợi được tính từ độ dài trung bình hàng đợi

(Nq) và tỉ lệ dữ liệu đến trung bình (A) Biểu thức cụ thé như sau :

Độ dài trung bình hàng đợi

Tỉ lệ dữ liệu đến trung bình

Thời gian trung bình trong hàng đợi =

Ng

w=-— (3.11)

Ta có thể tính thời gian trung bình trong hệ thống từ thời gian trung bình

trong hàng đợi và thời gian phục vụ trung bình :

1T=W+e (3.12)

Chú thích : Tổng hợp công thức thé hiện sự liên quan giữa các thông số tronglý thuyết hàng đợi :

Tính p từ A và p : p= Mu.

Tính N từ p N= p/(1-p)Tính TtừNvàÀ : T=Lx(1)

Tính Nq tu N : Nq=Nxp

Tính W từ Nq : W = Nqx (1/A)

3.3.8 Kết quả nhỏ (Litle result):

Từ những khái niệm và môi liên quan giữa các thông sô trên ta một lân nữa

rút ra hai công thức quan trọng thé hiện sự liên quan giữa thời gian đợi, độ dài hàngđợi và thời gian đến trung bình của hệ thông Day được gọi là kết quả nhỏ :

3.4.

NE=ÀXT (3.13)Ng = A.W (3.14)

Các kiểu hang đợi pho biến :

3.4.1 Hang đợi M/M/1 hay M/M/1/co/o0o/FIFO :

Hàng đợi M/M/1 có quá trình đến theo phân phối Poisson , thời gian phục vu

theo phân phô mũ và chỉ có | server.

Ta xét hệ thống đang trong tình trạng hoạt động 6n định, các thông số tỉ lệ tới