Giải pháp định tuyến thích nghi năng lượng trong mạng cảm biến không dây

T¹p chÝ KHKT Má - §Þa chÊt, sè 53, 01/2015, tr.53-57 CƠ - ĐIỆN MỎ (trang 53-57) GIẢI PHÁP ĐỊNH TUYẾN THÍCH NGHI NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ĐỖ XUÂN THIỆU, Trường Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội Tóm tắt: Mạng cảm biến không dây có đặc thù gửi nhận thông tin điều kiện địa hình khác Nguồn cung cấp cho nút cảm biến điều kiện khác nhau, thực dạng nguồn khác nhau, nguồn ắc quy, pin, pin mặt trời, nguồn chỉnh lưu dòng điện xoay chiều,…Vấn đề định tuyến mạng, kết nối thông tin nút trung tâm mạng cần phối hợp đồng nguồn, đảm bảo độ tin cậy kéo dài thời gian sống mạng cần thiết Bài báo đưa giải pháp định tuyến, tính đến đặc tính lượng nguồn cung cấp nút mạng Bằng cách tính toán hàm giá phụ thuộc khoảng cách nút, độ dốc lượng công suất phát nút gốc, giao thức định tuyến lựa chọn đường tối ưu theo hàm giá thấp để truyền liệu Kết hợp việc xác định lượng lại nút hàm giá, giải pháp định tuyến đảm bảo định tuyến tối ưu theo nhận thức lượng, đồng thời thích hợp với mạng có nút mạng cấp với loại nguồn khác mở rộng Trong dạng này, nút mạng Đặt vấn đề Mạng cảm biến không dây ứng dụng xếp vào cụm (cluster), rộng rãi nhiều lĩnh vực như: giám sát kết nút có lượng lớn đóng vai trò nút chủ cấu công trình (cầu, tòa nhà ), theo dõi (cluster head) Nút chủ có trách nhiệm phối hợp sống loài thú hoang dã, theo dõi điều hoạt động nút cụm chuyển khiển môi trường chuồng trại; cảnh báo cháy thông tin cụm Việc phân hoạch rừng, phát rò rỉ hóa chất nhà máy, giảm lượng tiêu thụ kéo dài thời giám sát tòa nhà thông minh…Một nút cảm gian sống mạng Dạng thứ ba dùng phương biến thông thường bao gồm thành phần sau: pháp hướng liệu (data-centric) để phân bổ yêu vi xử lý nhỏ sử dụng lượng (low cầu mạng Phương pháp dựa thuộc power processor), nhớ (Memory), Radio để tính, nút nguồn truy vấn đến thuộc truyền liệu không dây, nguồn điện (power tính tượng nút cảm source) cảm biến (sensors) [1] biến riêng biệt Việc phân tán yêu cầu thực Thiết kế giao thức định tuyến mạng cách phân nhiệm vụ cho nút cảm biến cảm biến không dây phải xem xét đến công suất định rõ thuộc tính riêng biệt cho nút tài nguyên hạn chế nút mạng, đặc tính Dạng thứ tư dùng vị trí để nút cảm thay đổi theo thời gian kênh truyền vô tuyến biến Định tuyến dựa vị trí hữu ích cho khả trễ hay gói Nhiều giao thức ứng dụng mà vị trí nút vùng định tuyến đưa Dạng thứ giao địa lý hỏi nút nguồn Yêu cầu thức dành cho kiến trúc mạng phẳng tất định rõ vùng mà nút xem cấp Kiến trúc phẳng có tượng quan tâm xảy hay lân cận với nhiều lợi ích tối thiểu phần đầu khung điểm đặc biệt vùng hoạt động (overhead) để xây dựng hạ tầng mạng có khả mạng tìm nhiều đường liên lạc nút với Giao thức thu thập liệu CTP sai số cho phép Dạng thứ hai dùng mạng (Collection Tree Protocol) xây dựng dựa có cấu trúc tiết kiệm lượng, ổn định khả phương pháp tiếp cận định tuyến phẳng, tự 53 tổ chức Giao thức CTP cho phép truyền thông hiệu từ nút mạng trường cảm biến đến nút gốc [3] Giao thức CTP thực thi chế thu thập liệu tin cậy bước nhảy [2] Các nút tự tổ chức thành cấu trúc dạng liệu gửi nút cha (parent) đến đỉnh (nút gốc) Nút gốc gán đỉnh tất nút khác khởi tạo nút Các nút cập nhật vị trí trình mở rộng dần với điểm xuất phát ban đầu từ nút gốc Dữ liệu gửi qua cấu trúc đến nút gốc Trong giao thức CTP, thước đo định tuyến sử dụng số lần truyền kỳ vọng-ETX (Expected Transmission) Thước đo chất lượng liên kết tuyến đường – rtmetric (route metric) xác định tổng ETX tất liên kết toàn tuyến đường Vị trí nút xác định thước đo tuyến đường rtmetric Nút gốc đỉnh có giá trị rtmetric = Các nút có giá trị rtmetric lớn xa nút gốc Tuyến đường có giá trị rtmetric lớn chất lượng liên kết thuộc tuyến đường thấp Tuyến đường tốt tuyến đường có rtmetric nhỏ Đây tuyến đường có tổng số lần truyền kỳ vọng ETX đến nút gốc nhỏ tuyến đường hiệu mặt lượng Giao thức CTP coi giao thức thu thập liệu đạt hiệu cao mặt lượng tiêu thụ tỷ lệ chuyển phát thành công tin liệu mạng Các kết đánh giá cho thấy giao thức CTP đạt mục tiêu là: độ tin cậy cao, khả chống lỗi tốt, hiệu lượng độc lập với nhiều kiến trúc phần cứng khác Tuy nhiên giao thức CTP nhận thức mức lượng lại nút mạng Giao thức CTP dựa vào thước đo định tuyến ETX để lựa chọn tuyến đường tối ưu Thước đo định tuyến ETX không giải vấn đề lượng nút mạng Bởi vậy, giao thức dễ bị cân lượng Các nút mạng thuộc tuyến đường tối ưu phải thực nhiều việc truyền dẫn nút khác Vậy nên chúng hết lượng nhanh nút khác tạo lỗ hổng mạng, làm giảm hiệu 54 toàn hệ thống mạng Đây thách thức quan trọng mạng cảm biến không dây hoạt động pin Vấn đề đặt thiết kế tối ưu cho giao thức định tuyến: Thứ nhất, cần phải xác định lượng lại nút cảm biến Cách xác định lượng lại nút cảm biến cần thực phần mềm tính toán triển khai nhiều kiến trúc phần cứng khác Thứ hai, cần phải đưa thước đo lượng dựa thông tin lượng lại nút cảm biến đặc trưng loại nguồn cấp thông qua tính toán thống kê thời gian sống nguồn Thước đo định tuyến phản ánh trạng thái lượng lại nút cảm biến, thích nghi với loại nguồn cấp khác Thước đo định tuyến phát quảng bá cho nút lân cận thông qua tin điều khiển cập nhật thường xuyên bảng định tuyến nút lân cận Thứ ba, tuyến đường tối ưu lựa chọn giao thức phải thỏa mãn tiêu chí việc định tuyến mạng cảm biến không dây tuyến đường lựa chọn phải có tỷ lệ chuyển phát tin liệu thành công đến nút gốc mức cao tuyến đường hiệu mặt lượng Định tuyến có nhận thức lượng [1], [4] nút mạng giải pháp không mới, thông thường áp dụng cho nút có loại nguồn cung cấp Các loại nguồn khác có dung lượng nguồn khác nhau, tuổi thọ khác nên nhận thức lượng cần phải biết thêm chu trình sống nguồn Như giải pháp định tuyến đề xuất báo hướng tới xác định lượng lại độ dốc lượng nguồn cung cấp đảm bảo độ tin cậy, kéo dài thời gian sống thích nghi với loại nguồn cung cấp khác cho nút mạng Định tuyến thích nghi sở nhận thức lượng nút mạng Năng lượng vấn đề quan trọng mạng cảm biến không dây Nếu lượng tiêu thụ nút cảm biến ước lượng giao thức định tuyến lựa chọn tuyến đường tối ưu dựa vào thông tin lượng lại nút cảm biến nhằm tăng độ tin cậy truyền tin thời gian sống toàn mạng lên 2.1 Thước đo số lượng lại EI Giả sử nút ban đầu tích trữ đầy lượng số lượng lại (EIEnergy Indicator) nút 100% Chỉ số lượng lại nút cảm biến thời điểm t tính bẳng công thức sau [4]: residual _ energy (1) EI (%)  x100% Eo đó: residual_energy: lượng lại nút cảm biến Năng lượng lại thời điểm t nút cảm biến xác định công thức: residual_energy=E0 – consumption_ energy (2) đó: consumption_ energy lượng tiêu thụ nút cảm biến thời điểm t Năng lượng tiêu thụ nút cảm biến xác định theo mô hình lượng tuyến tính E0: Là lượng ban đầu nút cảm biến Bảng 1.1 trạng thái lượng nút cảm biến Trạng thái Chỉ số EI lượng Mô tả Nhiều lượng Thiếu hụt lượng Ngưỡng số EI 30%-100% 30% 10%-30% 5%-10% Thiếu nhiều lượng 5% 0-5% Hết lượng 10% Bảng 1.1 minh họa trạng thái lượng nút Bốn trạng thái thước đo lượng trạng thái lượng lại ES (Energy States) sử dụng làm thước đo định tuyến Nút cha lựa chọn để chuyển tiếp tin liệu phải có trạng thái lượng lại mức cao (chỉ số lượng lại EI lớn ngưỡng cho trước) Trạng thái lượng lại ES nút cần phải gửi thường xuyên cho nút lân cận để nút lân cận biết cập nhật lại trạng thái lượng ES bảng định tuyến 2.2 Thước đo lượng thích nghi Sườn dốc lượng thích nghi đánh giá hàm giá ma trận lượng nút [1] Hàm giá liên kết hai nút tỷ lệ thuận với khoảng cách Dij, tỷ lệ nghịch với độ dốc lượng chu trình sống nguồn: 1 (3) Cij  Dij     S0 Pin đó, P in công suất phát tín hiệu nguồn (nút gốc) và: E S0  (4) tm với: E0 lượng nguồn ban đầu (năng lượng đầy) tm thời gian sống nguồn Các giá trị   chọn để thực giao thức Hàm giá phụ thuộc vào công suất phát nút gốc, khoảng cách hai nút định tuyến phụ thuộc vào độ dốc lượng chu trình sống nguồn cung cấp Với nguồn cấp khác nhau, sườn dốc lượng khác có hàm giá khác Như vậy, định tuyến sở hàm giá thích nghi với loại nguồn mạng Định tuyến thích nghi lượng, sở định tuyến theo thu thập số liệu CTP, có nhận thức lượng bổ sung thêm tham số thích nghi lượng, mang thông tin dạng nguồn cung cấp khác Mô định tuyến Mô định tuyến nhận thức theo lượng thực phần mềm Prowler môi trường Matlab Trong mô phỏng, lớp MAC tách cách truyền trực tiếp gói từ lớp truyền nút tới lớp truyền nút lân cận Từ đánh giá thuận lợi phương pháp định tuyến cách độc lập lớp MAC Tuy nhiên, đánh giá đầy đủ giao thức cần phải có thực thực tế lớp MAC Mô thực với nút sử dụng số loại nguồn có dung lượng tuổi thọ khác 55 Thông tin phát từ nút, nút nhận nút cha chuyển tiếp gói tin tới tất nút lại Mỗi nút hiển thị số nút cha chặng hop (nút cha /hop): LED màu đỏ cho hop 1, 2, màu xanh 3, (hình 1) Theo kết mô với số nút mạng 5x5 đặt theo ma trận, xuất phát từ nút gốc, nút cha nút số Các nút cha có lượng lại lớn hàm giá thấp nút số có tọa độ (4,2), định tuyến theo nhánh tiếp tạo thành dạng Hình Kết mô định tuyến cấu trúc thích nghi lượng Mô hình truyền radio xác định độ lớn tín hiệu từ nút tới tất điểm thu hệ thống Độ lớn tín hiệu với độ nhạy điểm thu định điều kiện nhận gói tín hiệu Độ lớn tín hiệu phát theo công suất Pt công suất nơi nhận Pr, xác định theo hàm truyền đánh giá suy giảm tín hiệu theo khoảng cách D nhiễu ngẫu nhiên (theo công thức Pister-Hack) [2] (5) Pr  Pt  rand[0  40]dBm  Dv Hình Các tham số kênh radio 56 Đồ thị hình hiển thị tham số kênh radio (radio chanel) với công suất phát tín hiệu (Signal power) chuẩn hóa (P-trans=1), cho biết mức công suất nhận theo khoảng cách truyền môi trường lý tưởng P_rec_id [1], [2]: P_rec_id=Ptrans*f(x) với f(x)=1/(1+x 2 (6) có Fadinh P_rec: P_rec= P_rec_id*(1+alpha(x))*(1+beta(t)) (7) alpha, beta biến ngẫu nhiên phân bố chuẩn N(0,s) Các công suất tín hiệu chuẩn hóa tính toán mặc định phần mềm Prowler Hình Năng lượng lại theo thời gian hai nút A B Chỉ số lượng lại mức tiêu thụ lượng định tuyến đường riêng cho giao thức Trong giao thức định tuyến, lượng lại (energy reserve) nút xác định tuyến thông thường tuyến tối ưu phụ cho nút, hai lựa chọn đường dẫn tốt lớp định tuyến [1] Hình biểu diễn lượng lại theo thời gian hai nút A B lựa chọn, nút A đường dẫn thông thường nút B nút đường dẫn tối ưu phụ Quá trình định tuyến loại bỏ nút đơn lẻ có tiêu hao lượng lớn [1] Trên hình 4, nút D tiêu hao lượng nhanh bị loại bỏ Mô hình định tuyến cập nhật thông tin liên tục 10s Các đồ thị hiển thị hình hình biểu diễn lượng lại theo thời gian nút cảm biến với mục đích lựa chọn đường dẫn tối ưu phụ (hình 3) loại bỏ nút có lượng suy giảm nhanh (hình 4) giải pháp chung cho tất giao thức định tuyến có nhận thức lượng [1] đó kết hợp nhiều loại nguồn cung cấp Giao thức triển khai phát triển ứng dụng cho mạng cảm biến không dây hệ thống giám sát điều khiển môi trường chăn nuôi [5] cho đề tài mã số 01C-07/04-2013-2, trang trại Hợp tác xã với nhiều hộ có điều kiện kinh tế khác nhau, sử dụng thiết bị mạng với số loại nguồn có dung lượng tuổi thọ khác TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Anna Ha’c, Wireless Sensor Network Designs, University of Hawaii at Manoa, Honolulu, USA, John Wiley & Sons Ltd, 2003 Hình Nút có tiêu hao lượng lớn [2] A V Sutagundar*, S S Manvi**, bị loại bỏ Kirankumar B Balavalad* Energy Efficient Bằng cách xác định lượng nguồn cấp Multipath Routing Protocol for WMSN’s thời điểm định tuyến nút mạng thông International Journal of Computer and Electrical qua số lượng lại hàm giá thích Engineering, Vol 2, No 3, June, 2010 1793-8163 nghi nguồn lượng, giải pháp định tuyến [3] Dixit Sharma Evaluating and improving lựa chọn sơ đồ định tuyến tối ưu dạng collection tree protocol in mobible wireless qua kết mô hình sensor networck University of Ontario Institute Kết luận of Technology (UOIT)Oshawa, Ontario, Giao thức định tuyến thích nghi lượng Canada, July, 2011 có nhận thức lượng, có lựa chọn [4] Ming Liu, Jiannong Cao, Guihai Chen and tuyến đường theo sườn dốc lượng nguồn Xiaomin Wang, An Energy-Aware Routing Protocol cấp đảm bảo cân lượng, đồng in Wireless Sensor, Sensors 2009, 9, 445-462 loại nguồn khác Như vậy, với việc [5] Đỗ Xuân Thiệu, Ngô Hoàng Huy, Nguyễn kết hợp nhận thức lượng lại Trịnh Nguyên, Nguyễn Đức Hải, Nguyễn Tu nút độ dốc lượng nguồn cấp, mạng Trung Xây dựng mô hình trang trại chăn nuôi gia cảm không dây lựa chọn tuyến đường súc thông minh dựa kiến trúc hướng dịch vụ dẫn tối ưu lượng, nâng cao độ tin mạng cảm biến không dây Hội nghị KH&CN cậy kéo dài thời gian sống mạng toàn quốc lần thứ VII, FAIR, nghiên cứu Giao thức định tuyến thích nghi lượng có ứng dụng công nghệ thông tin ISBN: 978-609thể ứng dụng cho mạng diện rộng, 913-300-8, trang 765-774, tháng 06/ 2014 ABSTRACT Adaptive Energy Routing Solution in Wireless Sensor Network Do Xuan Thieu, University of Transport and Communications Wireless sensor networks have characteristics that can send and receive information in different terrain conditions Power supply for sensor nodes in different conditions, can be performed by different types of sources, such as battery power, batteries, solar cells, power alternating current rectifiers, The issue of network routing, connection information between nodes and hub for such networks need coordination between resources, ensuring reliability and extending the lifetime of the network is essential This paper gives a routing solution, taking into account the characteristics of the energy supply network nodes By calculating the cost function depends gap between the nodes, energy supply-slope and energy generation capacity at the root node, routing protocol selects the optimal path according to the lowest cost function for data transmission Combining the determination of the energy reserve on each node and cost function, routing solution will ensure optimal routing according to energy awareness, and appropriate to the network with network nodes are provided with the different energy supply types of sources 57 ... mạng Định tuyến thích nghi sở nhận thức lượng nút mạng Năng lượng vấn đề quan trọng mạng cảm biến không dây Nếu lượng tiêu thụ nút cảm biến ước lượng giao thức định tuyến lựa chọn tuyến đường... trọng mạng cảm biến không dây hoạt động pin Vấn đề đặt thiết kế tối ưu cho giao thức định tuyến: Thứ nhất, cần phải xác định lượng lại nút cảm biến Cách xác định lượng lại nút cảm biến cần thực... định tuyến mạng cảm biến không dây tuyến đường lựa chọn phải có tỷ lệ chuyển phát tin liệu thành công đến nút gốc mức cao tuyến đường hiệu mặt lượng Định tuyến có nhận thức lượng [1], [4] nút mạng