Tối ưu đa mục tiêu để cân bằng năng lượng tiêu thụ và độ trễ trong mạng cảm biến không dây

Tối ưu đa mục tiêu để cân bằng năng lượng tiêu thụ và độ trễ trong mạng cảm biến không dâyTối ưu đa mục tiêu để cân bằng năng lượng tiêu thụ và độ trễ trong mạng cảm biến không dâyTối ưu đa mục tiêu để cân bằng năng lượng tiêu thụ và độ trễ trong mạng cảm biến không dâyTối ưu đa mục tiêu để cân bằng năng lượng tiêu thụ và độ trễ trong mạng cảm biến không dâyTối ưu đa mục tiêu để cân bằng năng lượng tiêu thụ và độ trễ trong mạng cảm biến không dâyTối ưu đa mục tiêu để cân bằng năng lượng tiêu thụ và độ trễ trong mạng cảm biến không dâyTối ưu đa mục tiêu để cân bằng năng lượng tiêu thụ và độ trễ trong mạng cảm biến không dâyTối ưu đa mục tiêu để cân bằng năng lượng tiêu thụ và độ trễ trong mạng cảm biến không dâyTối ưu đa mục tiêu để cân bằng năng lượng tiêu thụ và độ trễ trong mạng cảm biến không dâyTối ưu đa mục tiêu để cân bằng năng lượng tiêu thụ và độ trễ trong mạng cảm biến không dâyTối ưu đa mục tiêu để cân bằng năng lượng tiêu thụ và độ trễ trong mạng cảm biến không dâyTối ưu đa mục tiêu để cân bằng năng lượng tiêu thụ và độ trễ trong mạng cảm biến không dây

-

BÙI KHẮC XUÂN TÌNH

TỐI ƢU ĐA MỤC TIÊU ĐỂ CÂN BẰNG NĂNG LƢỢNG TIÊU THỤ VÀ ĐỘ TRỄ TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TP HỒ CHÍ MINH – NĂM 2016

-

BÙI KHẮC XUÂN TÌNH

TỐI ƢU ĐA MỤC TIÊU ĐỂ CÂN BẰNG NĂNG LƢỢNG TIÊU THỤ VÀ ĐỘ TRỄ TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

CHUYÊN NGÀNH: HỆ THỐNG THÔNG TIN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

TPHCM, ngày 22 tháng 08 năm 2016 Học viên thực hiện luận văn

Bùi Khắc Xuân Tình

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS TS Trần Công Hùng, giảng viên Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông – cơ sở TPHCM, thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Tôi xin cảm ơn quý Thầy Cô trong khoa Công nghệ thông tin – Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông TPHCM đã tận tình giảng dạy, trang bị cho tôi những kiến thức quý báu trong những năm học vừa qua

Sau cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, các anh chị, bạn bè và đồng nghiệp đã ủng hộ, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn này

TPHCM, ngày 22 tháng 08 năm 2016 Học viên thực hiện luận văn

Bùi Khắc Xuân Tình

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ WSN VÀ CÁC THÁCH THỨC 3

1.1 Tổng quan về WSN 3

1.1.1 Giới thiệu 3

1.1.2 Các đặc trưng của WSN 4

1.1.3 Các vấn đề về thiết kế WSN 4

1.1.4 Kiến trúc của WSN [7] 6

1.1.5 Kiến trúc của sensor [7] 8

1.1.6 Chồng giao thức WSN 9

1.1.7 Ứng dụng của WSN 12

1.2 Các thách thức 13

1.3 Vấn đề tối ưu [8] 13

1.4 Kết luận chương 1 15

Chương 2 - TỐI ƯU ĐA MỤC TIÊU ĐỂ CÂN BẰNG 16

NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ VÀ ĐỘ TRỄ TRONG WSN 16

2.1 Giới thiệu 16

2.2 Các định nghĩa và giả thuyết [9] 17

2.3 Mô hình hoá vùng giao tiếp giữa các node cảm biến [9] 19

2.4 Cân bằng năng lượng và độ trễ [9] 21

2.5 Tối ưu đa mục tiêu [9] 26

2.5.1 Cách tiếp cận tổng trọng số WES 26

2.5.2 Giải bài toán cân bằng sử dụng WES 27

2.5.3 Đánh giá các trọng số 29

2.6 Giao thức cân bằng năng lượng và độ trễ (TED) [9] 32

2.7 Kết luận chương 2 36

Chương 3 - CẢI TIẾN GIAO THỨC TED 37

VÀ ĐỀ XUẤT GIAO THỨC TED+ 37

3.1 Giới thiệu 37

3.2 Cải tiến giao thức TED 37

3.3 Đề xuất giao thức TED+ 44

3.4 Kết luận chương 3 47

Chương 4 - MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC 48

TED VÀ TED+ 48

4.1 Giới thiệu 48

4.2 Mô phỏng giao thức TED 48

4.3 Mô phỏng giao thức TED+ 51

4.4 Đánh giá giữa TED và TED+ 53

4.5 Kết luận chương 4 60

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 61

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Diffusion Routing

Định tuyến khuếch tán đẳng hướng ràng buộc

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã

gian

IEEE Institute of Electrical and

PEGASIS Power-Efficient GAthering in

Sensor Information Systems

Hệ thống thu thập thông tin cảm biến hiệu quả năng lượng

via Negotiation

Giao thức cảm biến thông tin thông qua thỏa thuận

plus

Cân bằng năng lượng với độ trễ cải tiến

Efficient sensor Network

Ngưỡng năng lượng nhạy cảm hiệu quả cho mạng cảm biến

Sum

Tổng đơn vị trọng số có thể thay đổi

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Giao thức WSN ở lớp thấp (Physical) [6] 11

Bảng 1.2: Các giao thức định tuyến WSN [6] 12

Bảng 2.1: Tham số đầu vào 30

Bảng 4.1: Các giá trị đầu vào dùng để mô phỏng 48

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Mô hình WSN 3

Hình 1.2: Kiến trúc hình sao 6

Hình 1.3: Kiến trúc hình lưới 7

Hình 1.4: Kiến trúc lai hình sao và hình lưới 7

Hình 1.5: Kiến trúc của 1 sensor 9

Hình 1.6: Sơ đồ khối chức năng của 1 sensor 9

Hình 1.7: Kiến trúc phân lớp trong WSN 10

Hình 1.8: Tối ưu đa mục tiêu 14

Hình 1.9: Phân loại vấn đề tối ưu 15

Hình 2.1: Nhóm các CCB theo số chẵn 20

Hình 2.2: Nhóm cac CCB theo số lẻ 20

Hình 2.3: Tham số k ảnh hưởng đến kích thước của CPF 21

Hình 2.4: Mô tả đường đi từ s0 đến sm 23

Hình 2.5: Yếu tố k, α, θ ảnh hưởng tới hàm tiêu thụ năng lượng 24

Hình 2.6: Yếu tố k, α, θ ảnh hưởng tới hàm độ trễ 25

Hình 2.7: Yếu tố k, α, θ ảnh hưởng tới hàm tiêu thụ năng lượng đồng bộ 26

Hình 2.8: M(k) với α = 2 31

Hình 2.9: M(k) với α = 3 31

Hình 2.10: M(k) với α = 4 32

Hình 2.11: TED với k =5 35

Hình 2.12: TED với k =3 36

Hình 3.1: Cải tiến giao thức TED bằng kiểm tra nút kế cuối 38

Hình 3.2: Cải tiến giao thức TED bằng chọn 𝜃 nhỏ nhất 39

Hình 3.3: Cải tiến giao thức TED bằng chọn 𝛿 ngắn nhất 40

Hình 3.4: Giao thức TED 41

Hình 3.5: Giao thức cải tiến 41

Hình 3.6: Giao thức chọn proxy forwarder không kết hợp góc chọn 42

Hình 3.7: Giao thức cải tiến chọn proxy forwarder kết hợp góc chọn 42

Hình 3.8: Chuyển tiếp dữ liệu n=100 vòng bằng giao thức TED 43

Hình 3.9: Chuyển tiếp dữ liệu n=100 vòng bằng giao thức cải tiến 43

Hình 4.1: Các đường truyền data từ source đến sink sau 100 vòng (TED) 49

Hình 4.2: Tổng năng lượng tiêu thụ sau mỗi vòng (TED) 49

Hình 4.3: Tổng độ trễ sau mỗi vòng (TED) 50

Hình 4.4: Tỉ lệ các node chết sau mỗi vòng (TED) 50

Hình 4.5: Các đường truyền data từ source đến sink sau 100 vòng (TED+) 51

Hình 4.6: Tổng năng lượng tiêu thụ sau mỗi vòng (TED+) 52

Hình 4.7: Tổng độ trễ sau mỗi vòng (TED+) 52

Hình 4.8: Tỉ lệ các node chết sau mỗi vòng (TED+) 53

Hình 4.9: Tổng năng lượng tiêu hao giữa TED và TED+ 54

Hình 4.10: Tổng độ trễ giữa TED và TED+ 54

Hình 4.11: Tỉ lệ số node chết trong mạng của TED và TED+ 55

Hình 4.12: So sánh tổng năng lượng sau mỗi vòng của TED, TED+, SR, LR 56 Hình 4.13: So sánh tổng độ trễ sau mỗi vòng của TED, TED+, SR, LR 56

Hình 4.14: So sánh tỉ lệ node chết sau mỗi vòng của TED, TED+, SR, LR 57

Hình 4.15: So sánh tổng năng lượng với các hướng tiếp cận cải tiến 58

Hình 4.16: So sánh tổng độ trễ với các hướng tiếp cận cải tiến 58

Hình 4.17: So sánh tỉ lệ node chết với các hướng tiệp cận cải tiến 59

Hình 4.18: Thời gian chạy của 2 thuật toán TED và TED+ 59

MỞ ĐẦU

Những tiến bộ trong công nghệ cảm biến và truyền thông không dây đã giúp cho việc thiết kế và phát triển những mạng cảm biến quy mô lớn với chi phí thấp Mạng cảm biến không dây (WSN) là một tập những bộ cảm biến (sensor) giao tiếp với nhau qua đa chặng (multi-hop) kết nối không dây để thực hiện một nhiệm vụ nào đó [1] Loại mạng này bị hạn chế về năng lượng hoạt động, tính toán và khả năng lưu trữ Điều cần quan tâm nhất là năng lượng cung cấp (pin) vì nó là nguồn tài nguyên hữu hạn, khó nạp hoặc thay thế trong những môi trường đặc biệt như chiến trường, địa hình hiểm trở Vì vậy, việc thiết kế các giao thức chuyển tiếp dữ liệu tiết kiệm năng lượng cho WSN là một thành phần thiết yếu và quyết định [2],[3],4],[5] Các giao thức này phải đảm bảo tiết kiệm và sử dụng đồng bộ năng lượng tiêu thụ của các node cảm biến, giúp cho chúng hoạt động trong thời gian dài hơn Tuy nhiên để đảm bảo tuổi thọ của WSN trở thành một vấn đề khó khăn đối với những mạng đòi hỏi yêu cầu khắc khe về độ trễ Rõ ràng các mục tiêu trên, cụ thể là tối thiểu năng lượng tiêu thụ, độ trễ tối thiểu, tiêu thụ năng lượng đồng bộ là những mục tiêu mâu thuẫn nhau Nếu tối thiểu năng lượng tiêu thụ thì phải truyền

dữ liệu trên một khoảng cách ngắn Nếu truyền khoảng cách dài thì tối ưu về độ trễ nhưng lại tiêu tốn nhiều năng lượng [6] Do đo mức độ tiêu thụ năng lượng không đồng bộ diễn ra trên mạng WSN Việc sử dụng năng lượng không đồng bộ trên mạng WSN sẽ gây khó khăn trong việc thu thập thông tin: những vùng cần thu thập thông tin thì các sensor lại hết năng lượng và ngược lại những vùng cần ít thông tin thì thời gian sống của các sensor lại dài Như vậy để tối ưu các mục tiêu này đang là vấn đề thách thức đối với các nhà khoa học

Với mục đích tối ưu các mục tiêu trên, tôi chọn đề tài nghiên cứu “Tối ưu đa mục tiêu để cân bằng năng lượng tiêu thụ và độ trễ trong mạng cảm biến không dây”

Nội dung đề tài bao gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về mạng WSN và các thách thức

Chương 2: Tối ưu đa mục tiêu để cân bằng năng lượng và độ trễ trong WSN Chương 3: Cải tiến giao thức TED và đề xuất giao thức TED+

Chương 4: Mô phỏng đánh giá giao thức TED+ so với giao thức TED

và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ ) Các nút cảm biến gọi tắt là nút (node) hay cảm biến (sensor) Các sensor có chức năng cảm biến (sensing) để cảm ứng, quan sát môi trường xung quanh như: nhiệt

độ, độ ẩm, ánh sáng theo dõi hay định vị các mục tiêu cố định hoặc di động Các node giao tiếp với nhau và truyền dữ liệu về node đích (sink) hoặc trạm gốc (BS - Base Station) Hình 1.1 chỉ ra mô hình của WSN

1.1.2 Các đặc trưng của WSN

WSN bị hạn chế về năng lượng hoạt động, tính toán và khả năng lưu trữ Điều cần quan tâm nhất là năng lượng cung cấp (pin) vì nó là nguồn tài nguyên hữu hạn, khó nạp hoặc thay thế trong những môi trường đặc biệt như chiến trường, địa hình hiểm trở Vì vậy, việc thiết kế các giao thức chuyển tiếp dữ liệu tiết kiệm năng lượng cho WSN là một thành phần thiết yếu và quyết định hiệu quả năng của mạng Các giao thức này phải đảm bảo tiết kiệm và sử dụng đồng bộ năng lượng tiêu thụ của các node cảm biến, giúp cho chúng hoạt động trong thời gian dài hơn [1] Tuy nhiên để đảm bảo tuổi thọ của WSN trở thành một vấn đề khó khăn đối với những mạng đòi hỏi yêu cầu khắc khe về độ trễ [2],[3] Rõ ràng các mục tiêu trên, cụ thể là tối thiểu năng lượng tiêu thụ, độ trễ tối thiểu, tiêu thụ năng lượng đồng bộ là những mục tiêu mâu thuẫn nhau Nếu tối thiểu năng tiêu thụ thì phải truyền dữ liệu trên một khoảng cách ngắn, nếu truyền khoảng cách dài thì tối ưu về độ trễ nhưng lại tiêu tốn nhiều năng lượng Do đó mức độ tiêu thụ năng lượng không đồng bộ diễn

ra trên mạng WSN Việc sử dụng năng lượng không đồng bộ trên mạng WSN sẽ gây khó khăn trong việc thu thập thông tin: những vùng cần thu thập thông tin thì các sensor lại hết năng lượng và ngược lại những vùng cần ít thông tin thì thời gian sống của các sensor lại dài Như vậy để tối ưu các mục tiêu này đang là vấn đề thách thức đối với các nhà khoa học

- Khả năng chịu lỗi: do các sensor thường được triển khai trong các môi trường nguy hiểm nên dễ xảy ra lỗi về vật lý hoặc các vấn đề về nguồn cung cấp năng lượng Các giao thức triển khai trong mạng WSN phải có khả năng phát hiện

sớm các lỗi và tự sửa lỗi trong khi vẫn đảm bảo chức năng hoạt động của mạng Vấn đề này có liên quan đến giao thức định tuyến, nó phải đảm bảo chắc chắn rằng phải có những đường truyền thay thế để định tuyến lại các gói tin trong trường hợp xảy ra lỗi

- Khả năng mở rộng: các mạng cảm biến không dây khác nhau về quy mô, có thể từ vài nút mạng đến vài trăm ngàn nút mạng Ngoài ra mật độ triển khai cũng là một tham biến Các giao thức triển khai trong WSN cần có thể mở rộng khi quy mô của WSN ngày càng tăng

- Chi phí sản xuất: vì mô hình mạng WSN chỉ sử dụng các sensor 1 lần khi hết năng lượng (do triển khai trong môi trường nguy hiểm) nên chi phí sản xuất là một vấn đề thách thức với mạng thu thập thông tin truyền thống

- Ràng buộc về phần cứng: ở mức tối thiểu thì mỗi sensor cần chức năng cảm biến, xử lý, truyền tải và nguồn Nhiều chức năng được tích hợp vào sensor sẽ làm tăng chi phí và năng lượng cho sensor

- Topo của WSN: mặc dùng WSN có những cải tiến về nhiều mặt trong những năm gần đây, tuy nhiên WSN vẫn là mạng có những ràng buộc về năng lượng, khả năng xử lý, bộ nhớ và khả năng truyền thông Trong số những mặt hạn chế đó thì vấn đề tiêu thụ năng lượng là yếu tố quan trọng nhất, được thể hiện bởi số lượng lớn các thuật toán, kỹ thuật và các giao thức được phát triển để tiết kiệm năng lượng nhằm mục đích kéo dài thời gian hoạt động của mạng Việc lựa chọn Topo cho WSN là một trong những vấn đề cần thiết và quan trọng để giảm năng lượng tiêu thụ trong WSN

- Môi trường truyền dẫn: truyền thông giữa các sensor thường được sử dụng bằng giao tiếp vô tuyến qua băng tần phổ biến ISM (Industrial, Scientific and Medical)

Nguồn cung cấp: như chúng ta đã thấy, có rất nhiều thách thức của WSN xoay quanh các tài nguyên bị hạn chế Kích thước của sensor sẽ giới hạn kích thước của pin Thiết kế phần mềm và phần cứng phải xem xét cẩn thận các vấn đề về sử dụng năng lượng hiệu quả Ví dụ: nén dữ liệu có thể giảm năng lượng dành cho việc

truyền thông nhưng nó lại làm tăng khả năng tính toán Chính sách về năng lượng cũng phụ thuộc vào các ứng dụng, một số ứng dụng có thể chấp nhận tắt bớt một số sensor để tiết kiệm năng lượng, trong khi một số loại ứng dụng đòi hỏi các sensor phải hoạt động đồng thời

1.1.4 Kiến trúc của WSN [7]

 Kiến trúc hình sao

Một mạng hình sao là kiến trúc giao tiếp một trạm gốc BS có thể gởi/nhận thông tin đến các sensor Những nút sensor không được phép trao đổi thông tin với nhau Ưu điểm của loại mạng này trong WSN là đơn giản, năng lượng tiêu thụ tối thiểu, độ trễ thấp trong truyền tin giữa các sensor với BS Nhược điểm là BS phải nằm trong vùng giao tiếp của tất cả các sensor

Hình 1.2: Kiến trúc hình sao

 Kiến trúc lưới

Một mạng hình lưới cho phép truyền dữ liệu từ một node đến các node còn lại trong mạng trong vùng giao tiếp vô tuyến của nó Loại mạng này cho phép triển khai mô hình mạng đa chặng (multi-hop) Kiến trúc này có ưu điểm về khả năng mở rộng và dự phòng Nhược điểm của kiến trúc này là năng lượng tiêu thụ cho mỗi node sẽ cao hơn so với kiến trúc hình sao

Hình 1.3: Kiến trúc hình lưới

Trong thực tế với quy mô triển khai trên diện rộng thì mô hình này ích được

sử dụng do nhược điểm của nó là năng lượng tiêu thụ cao Trong khi các sensor được triển khai trong môi trường khó nạp năng lượng thì vấn đề năng lượng tiêu thụ của các sensor vô cùng quan trọng

 Kiến trúc lai

Kiến trúc lai giữa mạng hình sao và mạng hình lưới, nó cung cấp tính mềm dẽo trong việc thiết kế WSN, trong khi nó vẫn duy trì năng lượng tiêu thụ ở mức tối thiểu trong WSN Trong kiến trúc mạng này, các node năng lượng thấp hơn sẽ không được phép chuyển tiếp dữ liệu Trong thực tế mô hình này thường được áp dụng

Hình 1.4: Kiến trúc lai hình sao và hình lưới

1.1.5 Kiến trúc của sensor [7]

Một node sensor được cấu tạo từ 4 thành phần cơ bản: bộ phận cảm biến, bộ phận xử lý, bộ phận giao tiếp, bộ phận nguồn chỉ ra trong Hình 1.5 Sơ đồ khối chức năng của một sensor được chỉ ra trong Hình 1.6 Cách tiếp cận thiết kế dạng mô-đun cung cấp một nền tảng linh hoạt và đa năng để giải quyết nhu cầu của các loại ứng dụng cảm biến khác nhau Ví dụ: dựa vào các sensor được triển khai, khối kiểm tra tín hiệu có thể được lập trình lại hoặc thay thế Điều này cho phép nhiều loại sensor khác nhau có thể được sử dụng với sensor không dây, tương tự giao tiếp

vô tuyến có thể được chuyển đổi dãy vùng giao tiếp theo yêu cầu của ứng dụng Sử dụng bộ nhớ flash để lưu lại nhật kí và firmware, giúp ta có thể tra cứu và cập nhật firmware dễ dàng Bộ vi xử lý có các chức năng sau:

- Quản lý việc thu thập dữ liệu từ các sensor

- Thực hiện chức năng quản lý nguồn năng lượng

- Tương tác dữ liệu sensor đến lớp vật lý

- Quản lý các giao thức mạng vô tuyến

Một yếu tố quan trọng của bất kỳ nút cảm biến không dây là giảm thiểu năng lượng tiêu thụ bởi hệ thống Thông thường, hệ thống vô tuyến yêu cầu năng lượng tiêu thụ lớn Do đó, dữ liệu gởi qua mạng vô tuyến chỉ khi nào cần thiết Thuật toán được nạp vào node sensor để xác định khi nào gởi dữ liệu dựa trên sự kiện cảm biến được Phần cứng phải được thiết kế cho phép bộ vi xử lý kiểm soát được nguồn năng lượng dùng cho giao tiếp vô tuyến, cảm biến tín hiệu,…

Thuật toán

Bộ phận cảm

biến (Sensing unit)

Bộ phận giao tiếp (Communicati

Bộ phận xử lý (Processing unit)

Hình 1.5: Kiến trúc của 1 sensor

Tín hiệu sensor

cảm biến đầu vào

Kiểm tra tín hiệu

Điều chế / khuếch

đại

Chuyển tín hiệu tƣợng tự sang tín hiệu số

Xử lý qua bộ vi xử

lý

Nguồn năng lƣợng cung cấp

Radio Frequency (RF) transceiver

Hình 1.7: Kiến trúc phân lớp trong WSN

- Lớp ứng dụng (Application): định nghĩa các dịch vụ chuẩn và giao diện để người lập trình xây dựng ứng dụng độc lập trên các nền tảng kiến trúc WSN khác nhau Ví dụ như SNSP (Sensor Network Services Platform) [5]

- Lớp truyền tải (Transport): giúp duy trì luồng dữ liệu khi các ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu Đặc biệt lớp này cần thiết khi ứng dụng mạng được truy cập qua internet hoặc mạng bên ngoài Không giống như chồng giao thức TCP, trong WSN giao tiếp đầu cuối đến đầu cuối (end-to-end) không dựa trên địa chỉ toàn cục

- Lớp mạng (Network): chịu trách nhiệm định tuyến dữ liệu, lựa chọn đường

đi phù hợp để gởi dữ liệu từng nguồn đến đích

- Lớp liên kết dữ liệu (Data Link): cung cấp việc tách/ghép luồng dữ liệu, điều khiển môi trường truy cập và phát hiện khung dữ liệu

- Lớp vật lý (Physical): chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, nguồn, module hóa

và mã hóa dữ liệu

Bảng 1.1: Giao thức WSN ở lớp thấp (Physical) [6]

GPRS/GSM /CDMA

IEEE 802.11b/g

IEEE 802.15.1

IEEE 802.15.4

DAN (Desk Area

Network)

WSN

Ứng dụng

Voice và data diện rộng

Voice và data doanh nghiệp Thay thế cáp

Giám sát và điều khiển Băng thông

Hỗ trợ doanh nghiệp, mở rộng, giá

Giá, dễ sử dụng

Độ tin cậy, nguồn cung cấp, chi phí

Bảng 1.2: Các giao thức định tuyến WSN [6]

Trung tâm dữ liệu (data centric) SPIN (Sensor Protocols for Information via

Negotiation), CADR (Constrained Anisotropic Diffusion Routing),…

Phân cấp (hierarchical) LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering

Hierarchy), TEEN (Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network), PEGASIS (Power- Efficient GAthering in Sensor Information Systems),…

Dựa vào vị trí GAF (Geographic Adaptive Fidelity), TED

(Trade-off Energy with Delay)

Hướng chất lượng dịch vụ SAR (Sequential Assignment Routing), SPEED

(Stateless Protocol for End-to-End Delay),…

1.1.7 Ứng dụng của WSN

WSN được ứng dụng đầu tiên trong các lĩnh vực quân sự Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp điều khiển tự động, robotic, thiết bị thông minh, môi trường, y tế WSN ngày càng được sử dụng nhiều trong hoạt động công nghiệp và dân dụng Một số ứng dụng cơ bản của WSN:

- Cảm biến môi trường (quân sự: phát hiện mìn, chất độc, dịch chuyển quân địch ; công nghiệp: hệ thống chiếu sáng, độ ẩm, phòng cháy, chống rò rỉ ; dân dụng: hệ thống điều hòa nhiệt độ, chiếu sáng )

- Điều khiển (quân sự: kích hoạt thiết bị, vũ khí quân sự ; công nghiệp: điều khiển tự động các thiết bị, robot )

- Theo dõi, giám sát, định vị (quân sự: định vị, theo dõi sự dịch chuyển thiết bị )

- Môi trường (giám sát lũ lụt, bão, gió, mưa ; phát hiện ô nhiễm, chất thải )

- Y tế (định vị, theo dõi bệnh nhân, hệ thống báo động khẩn cấp )

- Hệ thống giao thông thông minh: giao tiếp giữa biển báo và phương tiện giao thông, hệ thống điều tiết lưu thông công cộng, hệ thống báo hiệu tai nạn, kẹt xe ;

hệ thống định vị phương, trợ giúp điều khiển tự động phương tiện tiện giao thông Gia đình (nhà thông minh: hệ thống cảm biến, giao tiếp và điều khiển các thiết bị thông minh )

1.2 Các thách thức

Như đã nói trong phần 1.1.2, từ những đặc trưng của WSN mà mục tiêu của mạng WSN cũng chính là những thách thức đối với các nhà nghiên cứu Mục tiêu chính của mạng cảm biến không dây là:

- Tối thiểu hoá năng lượng sử dụng

- Tối thiểu hoá độ trễ

- Sử dụng đồng bộ nguồn năng lượng giữa các sensor

Trên thực tế thì các mục tiêu này không song hành với nhau mà nó mâu thuẫn nhau Nếu đạt được tối thiểu năng lượng thì sẽ làm tăng độ trễ và ngược lại Như vậy thách thức của các nhà nghiên cứu hiện nay là tìm giải pháp để cân bằng 3 mục tiêu trên sao cho tối ưu về hiệu năng khi triển khai mạng cảm biến không dây

Sử dụng toán tối ưu đa mục tiêu để cân bằng 3 mục tiêu này là một trong những nghiên cứu để xây dựng nên thuật toán TED sẽ giới thiệu ở phần sau

1.3 Vấn đề tối ưu [8]

Tối ưu hóa đóng một vai trò quan trọng trong các mạng cảm biến không dây Việc tối ưu hóa trong WSN có thể được phân loại thành vấn đề tối ưu đơn và đa mục tiêu Trong tối ưu đơn mục tiêu, mục đích chính là tối ưu để giảm thiểu hoặc tối đa hóa một mục tiêu Trong tối ưu đa mục tiêu thì nhiều mục tiêu cùng một lúc được tối ưu hóa Hầu hết các vấn đề thực tế liên quan đến nhiều mục tiêu, mà tất cả các mục tiêu cần được tối ưu hóa cùng một lúc Tình trạng này làm cho việc tối ưu

hóa đa mục tiêu là một nhiệm vụ đầy thách thức và chắc chắn là một chủ đề rất nóng cho các nhà nghiên cứu

Trong tối ưu đa mục tiêu, tồn tại nhiều giải pháp để tối ưu Phương pháp thường được sử dụng nhất là kết hợp nhiều mục tiêu bằng cách gán trọng số khác nhau cho các mục tiêu khác nhau và sau đó thực hiện tối ưu đơn mục tiêu bằng thuật toán

Các bài toán tối ưu đa mục tiêu tổng quát bao gồm bốn phần: (1) đầu vào; (2) đầu ra; (3) mục tiêu; và (4) ràng buộc

Output;

Vị trí sensor, số sensor, tối ưu lập lịch truyền, năng lượng, độ trễ,

Mục tiêu:

Tối thiểu về năng lượng tiêu

thụ, tối thiểu độ trễ, thối đa thời gian sống của mạng, tối đa

độ tin cậy, tối thiểu chi phí,

thước gói tin,

Hình 1.8: Tối ưu đa mục tiêu

Nhìn chung nhiều vấn đề trong thế giới thực có liên quan đến việc tối ưu đa mục tiêu do những mục tiêu đó mâu thuẫn nhau Tương tự kịch bản thực tế được áp dụng trong WSN về: thiết kế, vận hành, vị trí, triển khai,…sử dụng phương pháp tối

ưu đa mục tiêu Hình 1.9 tóm tắt việc phân loại tối ưu

Hiệu quả vùng phủ sóng

Truy tìm đích đến

Thời gian sống của mạng

Giám sát

Hiệu quả vùng phủ sóng

Năng lượng tiêu thụ

Thời gian sống của mạng

Mật độ các node

Hiệu quả vùng phủ sóng

Năng lượng tiêu thụ

Hình 1.9: Phân loại vấn đề tối ưu

1.4 Kết luận chương 1

Chương này đưa ra cái nhìn tổng quan về WSN, những ứng dụng của nó trong cuộc sống Đặc biệt nêu lên những vấn đề thách thức (năng lượng và độ trễ) của mạng WSN đối với các nhà khoa học hiện nay Từ cái nhìn tổng quan đó, ta thấy tối ưu hóa đóng 1 vai trò quan trọng trong WSN Cụ thể là tối ưu đa mục tiêu: tối ưu về năng lượng tiêu thụ, tối ưu về độ trễ, tối ưu về mức tiêu thụ năng lượng đồng bộ giữa các sensor trong WSN Vấn đề này sẽ được giới thiệu trong chương 2

Chương 2 - TỐI ƯU ĐA MỤC TIÊU ĐỂ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ VÀ ĐỘ TRỄ TRONG WSN

2.1 Giới thiệu

Chuyển tiếp dữ liệu là một thành phần thiết yếu và quan trọng trong mạng WSN Các cảm biến nguồn (Source) gửi dữ liệu cảm biến của nó thông qua kết nối không dây đa chặng đến đích Tuổi thọ của mạng cảm biến không dây đa chặng phụ thuộc vào mức độ tiêu thụ năng lượng đồng bộ của các cảm biến Năng lượng pin (hay năng lượng) là nguồn tài nguyên quan trọng nhất trong mạng cảm biến không dây, đặc biệt là khi trong môi trường không thể sạc hoặc thay thế pin Do đó, các sensor nên sử dụng các giao thức chuyển tiếp dữ liệu tiết kiệm năng lượng mà nó đảm bảo sự suy giảm năng lượng đồng bộ giữa các sensor Điều này sẽ giữ cho các sensor hoạt động trong thời gian dài hơn, do đó kéo dài tuổi thọ mạng Việc đảm bảo tuổi thọ của mạng cảm biến không dây sẽ trở thành một vấn đề khó khăn, đặc biệt là cho các ứng dụng cảm biến ràng buộc nghiêm ngặt về độ trễ [6]

Các giao thức chuyển tiếp dữ liệu thích hợp nên được thiết kế sao cho đạt được mức tiêu thụ năng lượng tối thiểu nhưng vẫn đảm bảo sự cạn kiệt pin đồng bộ giữa các bộ cảm biến và đáp ứng về độ trễ, do đó dẫn đến một vấn đề tối ưu hóa đa mục tiêu

Do mức năng lượng tiêu thụ tối thiểu, tối thiểu về độ trễ, và suy giảm năng lượng đồng bộ là những mục tiêu mâu thuẫn, mà phải được xử lý đồng thời, nên việc tìm kiếm một sự cân bằng giữa chúng là cần thiết Thật vậy [9], giảm thiểu tiêu thụ năng lượng đòi hỏi phải truyền dữ liệu cảm nhận trên một khoảng cách ngắn; Năng lượng (Etx ) truyền tải dữ liệu giữa 2 điểm truyền và nhận tỉ lệ thuận với khoảng cách vật lý giữa 2 điểm đó 𝐸𝑡𝑥 ∝ 𝑑𝛼 với 2 ≤ 𝛼 ≤ 4 là mũ chi phí đường

đi Tuy nhiên để giảm thiểu độ trễ thì phải giảm thiểu các nút chuyển tiếp trung gian giữa nút nguồn và nút đích Mục tiêu này có thể đạt được bằng cách tối đa khoảng

cách giữa các nút chuyển tiếp trung gian Hơn nữa không gian tiềm kiếm các ứng cử viên nút chuyển tiếp ảnh hưởng đến việc phân phối tải không cân bằng đến các sensor Do đó gây ra mức tiêu thụ năng lượng không đồng bộ giữa các sensor Thực vậy, các ứng cử viên nút chuyển tiếp nằm trong một không gian tìm kiếm nhỏ sẽ bị suy giảm năng lượng nhiều hơn do chúng thường xuyên được lưa chọn Ngược lại, một không gian tìm kiếm lớn đảm bảo chuyển tiếp dữ liệu cân bằng giữa các sensor

và do đó giúp chúng đạt được mức suy giảm năng lượng đồng bộ

Có nhiều giao thức để tối ưu năng lượng và độ trễ trong mạng WSN Trong

đó, nổi bật có công trình nghiên cứu của tác giả Habib M Ammari về giao thức cân bằng năng lượng và độ trễ của mạng WSN bằng phương pháp tối ưu đa mục tiêu TED (Trade-off Energy with Delay)[9] Trong chương này sẽ tìm hiểu về giao thức TED, từ đó chương 3 sẽ đưa ra các giải pháp cải tiến

2.2 Các định nghĩa và giả thuyết [9]

Những định nghĩa và giả thuyết trong mô hình cân bằng năng lượng và độ trễ

sử dụng giao thức TED:

Định nghĩa 2.1 (tập láng giềng): tập láng giềng của nút cảm biến si kí hiệu NS(si)

là tập các nút cảm biến đặt trong dãy giao tiếp giữa si’s

Định nghĩa 2.2 (độ trễ): độ trễ kí hiệu D(s0, sm) là thời gian giữa một đơn vị dữ liệu truyền giữa nút nguồn s0 và đích đến của nó là sm Độ trễ được tính như sau:

D(s 0 , s m ) = (qd + td + pd) N f (s 0 , s m )

Trong đó:

qd: trễ hàng đợi trung bình trên nút chuyển tiếp trung gian

td: trễ truyền trung bình

pd: trễ lan truyền trung trong môi trường

Nf(s0, sm) là số nút truyền trung gian giữa s0 và sm

Khi tốc độ lan truyền là tốc độ ánh sáng 300.000 km/s thì trễ lan truyền là không đáng kể Đặt c = qd + td theo tài liệu [10] ta có:

D(s 0 , s m ) = c N f (s 0 , s m )

Định nghĩa 2.3 (năng lượng tiêu thụ):

Theo Heinzelman [11], năng lượng truyền và nhận dữ liệu được tính như sau:

E tx (s i , s j ) = a(E elec + 𝜺𝜹𝜶(𝒔𝒊, 𝒔𝒋)

E rx (s i ) = aE elec

Trong đó:

𝛿𝛼(𝑠𝑖, 𝑠𝑗) là khoảng cách Euclid giữa si và sj

a là kích thước dữ liệu đơn vị bit

𝜀 là khuếch đại truyền dẫn trong không gian truyền tự do (𝜀𝑓𝑠) hoặc không gian truyền đa đường (𝜀𝑚𝑝)

Eelec năng lượng electron

với 2 ≤ 𝛼 ≤ 4 là mũ chi phí đường đi

Năng lượng tiêu thụ tổng cộng của si khi nó nhận dữ liệu và chuyển tiếp đến sj được tính như sau:

E tot (s i ) = E rx (s i ) + E tx (s i , s j )

Năng lượng còn lại của si sau khi nó nhận và chuyển tiếp dữ liệu đến sj được tính như sau:

E rem (s i ) = E init (s i ) – E tot (s i )

Einit(si) là năng lượng khởi tạo ban đầu của si

Giả thuyết 2.1 (triển khai các cảm biến đồng nhất và tĩnh): những nút cảm biến

được phân bố ngẫu nhiên và đồng nhất trong một mặt phẳng

Giả thuyết 2.2 (mô hình đĩa giao tiếp): dãy giao tiếp của các nút cảm biến được mô

hình hóa thành 1 vùng hình đĩa, bán kính R Đĩa giao tiếp của si có tâm đặt ở vị trí ζi

kí hiệu D(ζi , R)

Giả thuyết 2.3 (mô hình mật độ phân bố mạng): mật độ phân bố của sensor lên đến

20 sensor/ m2

Giả thuyết 2.4 (mô hình nhận biết năng lượng và vị trí): những nút cảm biến nguồn

và đích nhận biết vị trí bằng kỹ thuật định vị [12] và chỉ quảng bá 1 lần lúc khởi

động giám sát Ngoài ra, mỗi nút cảm biến sẽ quảng bá định kì năng lượng còn lại của nó đến các láng giềng

Giả thuyết 2.5 (mô hình nguồn phát truyền dẫn) : mỗi nút cảm biến có bộ điều

khiển nguồn phát để truyền dẫn, do đó nó có thể điều chỉnh khoảng cách truyền (có nghĩa là nó có thể truyền dữ liệu qua khoảng cách nhỏ hơn hoặc bằng R của đĩa giao tiếp)

2.3 Mô hình hoá vùng giao tiếp giữa các node cảm biến [9]

Vùng giao tiếp giữa các node cảm biến không dây được mô hình hoá phân tích thành những đường tròn đồng tâm (CCBs - Concentric Circular Bands) Nó đặc trưng cho sự suy giảm đồng bộ năng lượng pin của cảm biến

Phương pháp chia vùng dựa trên xấp xỉ của một khoảng cách dmin truyền tối thiểu trong truyền tải dữ liệu Khoảng cách truyền tối thiểu được sử dụng trong truyền dữ liệu có thể được xấp xỉ bằng

𝒅𝒎𝒊𝒏 = (𝑬𝒆𝒍𝒆𝒄/𝜺)𝟏𝜶 (2.1)

𝜀 ∶ 𝑕ằ𝑛𝑔 𝑠ố 𝑘𝑕𝑢ế𝑐𝑕 đạ𝑖 𝑡𝑟𝑢𝑦ề𝑛 𝛼: 𝑘í𝑐𝑕 𝑡𝑕ướ𝑐 𝑑ữ 𝑙𝑖ệ𝑢, đơ𝑛 𝑣ị 𝑏𝑖𝑡

E elec: năng lượng electron

Để đạt được cân bằng tốt hơn giữa việc tiêu thụ năng lượng tối thiểu, tối

thiểu độ trễ, và suy giảm đồng bộ năng lượng, [9] đề xuất chia vùng giao tiếp CD(s i,

R) (tâm là si, bán kính R) của sensor si thành n ccb = 𝑅

𝑑 𝑚𝑖𝑛 CCB có tâm tại si và độ rộng vùng là dmin Các CCB được chia thành 3 nhóm: các CCB bên trong có ưu thế

về tối thiểu hóa năng lượng tiêu thụ hơn là tối thiểu về độ trễ và suy giảm đồng bộ năng lượng; các CCB ở giữa ưu thế cho 3 mục tiêu trên là như nhau; các CCB bên ngoài có ưu thế về tối thiểu độ trễ và đồng bộ tiêu hao năng lượng hơn mục tiêu còn lại Hình 2.1 nhóm các CCB theo số chẵn, Hình 2.2 nhóm các CCB theo số lẻ

CCB 6

Năng lượng (quan trọng nhất)

Năng lượng, độ trễ, suy giảm đồng bộ năng lượng (quan trọng như nhau)

Độ trễ, tiêu thụ đồng bộ năng lượng (quan trọng nhất)

Ánh xạ các mức quan trọng của năng lượng,

độ trễ, suy giảm đồng bộ năng lượng

CCB 6

Năng lượng (quan trọng nhất)

Năng lượng, độ trễ, suy giảm đồng bộ năng lượng (quan trọng như nhau)

Độ trễ, tiêu thụ đồng bộ năng lượng (quan trọng nhất)

Ánh xạ các mức quan trọng của năng lượng,

độ trễ, suy giảm đồng bộ năng lượng

Nhóm số CCB lẻ

Hình 2.2: Nhóm các CCB theo số lẻ

Chúng ta hãy xem xét một tập cảm biến và một đích đến, tất cả trong một mặt phẳng Tiếp theo, chúng ta định nghĩa về các khái niệm ứng cử viên nút chuyển tiếp (CPF – Candidate Proxy Forwarder)

CPF (si, sm, k, β) là một tập hợp con của các cảm biến, được gọi là ứng cử viên nút chuyển tiếp của si, thuộc các CCB thứ k và nằm trong một khu vực được xác định bởi một góc β tâm tại si (Hình 2.3) Kích thước của CPF (si, sm, k, β) phụ thuộc vào các giá trị của β và k, với 1≤k ≤ nccb và 0 <β <π

những vùng tròn đồng tâm và sử dụng phương pháp tổng trọng số WES (WEighted scale-uniform-unit Sum) được sử dụng bởi nút cảm biến nguồn để giải quyết bài

toán tối ưu đa mục tiêu Cách tiếp cận này sẽ tìm ra mức cân bằng giữa 3 mục tiêu trên

Gọi 𝜆 là mật độ phân bố của các nút cảm biến Tổng số ứng cử viên nút chuyển tiếp, năng lượng tiêu thụ, độ trễ tương ứng với CCB thứ k trên đường đi ngắn nhất từ s0 đến sm được tính như sau:

Hình 2.5: Yếu tố k, α, θ ảnh hưởng tới hàm tiêu thụ năng lượng

Hình 2.6 chỉ ra yếu tố k, 𝜃 và 𝛼 trong công thức độ trễ Độ trễ tỉ lệ nghịch với k, đồng nghĩa với khoảng cách giữa các nút chuyển tiếp càng ngắn thì độ trễ từ cảm biến nguồn đến đích sẽ càng cao

Hình 2.6: Yếu tố k, α, θ ảnh hưởng tới hàm độ trễ

Hình 2.7 chỉ ra yếu tố k, 𝜃 và 𝛼 trong công thức tiêu thụ năng lượng đồng bộ giữa các nút cảm biến CPF phục thuộc vào 𝜃 và k, khi k tăng thì số lượng nút cảm biến có thể chọn làm nút chuyển tiếp nhiều hơn dẫn đến các nút này sẽ tiến dần đến mức tiêu thụ năng lượng đồng bộ

Hình 2.7: Yếu tố k, α, θ ảnh hưởng tới hàm tiêu thụ năng lượng đồng bộ

2.5 Tối ưu đa mục tiêu [9]

Trong phần này sẽ trình bày cách tiếp cận giải bài toán tối ưu đa mục tiêu bằng phương pháp WES [13] để cân bằng 3 mục tiêu: năng lượng tiêu thụ tối thiểu,

độ trễ tối thiểu, tiêu thụ năng lượng đồng bộ giữa các nút cảm biến