Truyền đa kênh cho định tuyến phân cụm trong mạng cảm biến không dây

Bài viết đã giới thiệu một phương pháp truyền đa kênh cho định tuyến phân cụm theo sự kiện với mục đích giảm nhiễu và tranh chấp môi trường, tiết kiệm năng lượng, cân bằng năng lượng tiêu hao, giảm trễ và tăng thông lượng gửi về đích.

Các cơng trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng CNTT-TT Tập V-2, Số 14 (34), tháng 12/2015 Truyền đa kênh cho định tuyến phân cụm mạng cảm biến không dây Multichanel Communication for Cluster-based Routing in Wireless Sensor Networks Ngô Quỳnh Thu Abstract: Because of limited power size and processing capability of sensor nodes, Wireless Sensor Networks require special routing mechanisms, for example cluster-based and event-drivent routing protocol [1] These routing schemes are energy efficient, load balanced and reliable but most of them can not provide end-to-end delay requirement for realtime applications, such as tracking or healthcare In this paper, we propose a new multichannel communication scheme for cluster-based and eventdrivent routing protocol, called mMRC (Multichannel Cluster-based Routing Scheme) in order to improve end-to-end delay, throughput received at the Base Station of network for real-time applications Our first performance result by using OMNET++ shows that mMRC achieves better energy efficiency, bandwidth, delay… compared to ARPEES and OEDSR Keywords: multichannel, cluster-based routing, wireless sensor networks I GIỚI THIỆU Trong năm gần đây, mạng cảm biến không dây ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác Mạng tạo nên nút cảm biến có kích thước nhỏ khả xử lý hạn chế, phân bố vùng địa lý rộng kết nối với thông qua môi trường vô tuyến Vì mạng địi hỏi phải có giao thức định tuyến riêng thoả mãn đặc điểm: tiết kiệm lượng, cân tải, ổn định… để giúp kéo dài thời gian sống mạng Có nhiều nghiên cứu tập trung vào giao thức định tuyến để giải thách thức nêu trên, điển hình định tuyến phân cụm Phương pháp phân chia mạng lớn thành cụm, cụm đại diện cụm trưởng để chịu trách nhiệm xử lỹ liệu nhận cụm truyền trạm gốc (điển hình LEACH [2]) So với định tuyến phẳng, phương pháp định tuyến phân cụm có nhiều ưu điểm giúp giảm tin điều khiển, tiết kiệm đồng thời cân lượng, qua giúp tăng thời gian sống mạng Các phương pháp định tuyến phân cụm, lại chia thành định tuyến phân cụm liên tục theo kiện Trong phương pháp định tuyến phân cụm liên tục, liệu cảm biến liên tục gửi trạm gốc phương pháp định tuyến phân cụm theo kiện gửi liệu có kiện xuất hiện, tiêu hao lượng Ví dụ điển hình giao thức phân cụm theo kiện ARPEES [1], EMRP [3], OEDSR [4] HPEQ [5] Tuy nhiên nhược điểm quan trọng giao thức chúng chưa quan tâm đến yêu cầu trễ đầu cuối ứng dụng (giám sát bắt mục tiêu, y tế) Ngoài việc phân chia liệu từ nhiều nút cảm biến truyền trạm gốc theo nhiều đường nhiều tần số (hay gọi truyền đa kênh) giúp việc phân chia tải tốt giảm trễ đầu cuối Hiện nay, hệ cảm biến hỗ trợ tính truyền đa kênh này, cụ thể Nordic NrF950 radio [6] CC2420 radio [7] truyền 16 tần số khác Cần phải nói thêm rằng, truyền nhiều tần số, thời điểm nút cảm biến thông thường truyền tần số định (bán song công) mà - 43 - Các cơng trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng CNTT-TT Nói cách khác, kết hợp định tuyến phân cụm theo kiện với truyền đa kênh hứa hẹn mang lại ưu điểm tiết kiệm lượng, tin cậy, cân tải, giảm trễ đầu cuối… cho mạng cảm biến không dây Trong báo này, đề xuất phương thức truyền đa kênh cho định tuyến phân cụm theo kiện, gọi phương pháp mMRC (Multichannel Cluster-based Routing scheme) thực đánh giá hiệu phương thức thông qua mô đồng thời so sánh với giao thức định tuyến phân cụm theo kiện ARPEES OEDSR Kết ban đầu cho thấy, hiệu mMRC cao giao thức định tuyến phân cụm tương ứng ARPEES OEDSR thể thông số lượng, thông lượng, độ tin cậy… Tập V-2, Số 14 (34), tháng 12/2015 phức tạp Để giải thách thức trên, có giải pháp sau cho truyền đa kênh: Phần lại báo tổ chức sau: phần II trình bày thách thức thiết kế giao thức định tuyến phân cụm kết hợp với đa kênh Phần III mơ tả mơ hình truyền thơng sử dụng thiết kế mMRC Phần IV mô tả chi tiết hoạt động mMRC Phần V đánh giá hiệu giao thức công cụ OMNET++ [18] Phần cuối đưa số nhận xét hướng phát triển tương lai II THÁCH THỨC CỦA BÀI TỐN TRUYỀN ĐA KÊNH NĨI CHUNG Trong mạng cảm biến khơng dây, mơi trường truyền dẫn khơng dây nên truyền đa kênh vấn đề quan trọng cần phải giải chồng kênh xung đột Thách thức nút cảm biến thường làm việc chế độ bán song cơng (tức thời điểm nhận gửi liệu kênh hay tần số định) nên giải pháp đa kênh muốn nút cảm biến truyền liệu thành công nhiều tần số khác gặp nhiều khó khăn Quan trọng nhất, giao thức đa kênh phải tìm đường để truyền liệu đích (định tuyến) nhiều chặng, chặng nút gửi nút nhận phải nằm tần số (cấp phát kênh) Trong trường hợp mạng cảm biến có kích thước lớn đến hàng nghìn nút, toán định tuyến cấp phát kênh truyền đa kênh trở nên - 44 - - Chồng kênh xung đột: Trong môi trường truyền dẫn không dây, nhiều nút cảm biến muốn truy cập vào đường truyền không dây xẩy xung đột Hơn nữa, nhiều nút muốn truyền kênh có tần số khác nhau, chắn xẩy tượng giao thoa tần số gần Nếu tượng chồng kênh xung đột không giải cách hợp lý, việc thu nhận liệu trạm gốc cách xác khơng thực Để giải tốn xung đột, lựa chọn phương pháp đa truy cập TDMA, FDMA, CSMA/CA… cho giao thức đa kênh Để giảm thiểu giao thoa chồng kênh, giao thức đa kênh phải thiết kế để kênh liệu gần sử dụng tần số cách xa nhau, sử dụng tần số trực giao Tuy nhiên số lượng tần số trực giao hạn chế nên việc sử dụng kênh trực giao tận dụng tần số cách hiệu - Do tính chất thường làm việc chế độ bán song công, tức thời điểm nút cảm biến làm việc tần số định trạng thái gửi nhận liệu Để truyền nhiều tần số khác nhau, nút phải thực chuyển đổi động tần số (chuyển kênh) phải đảm bảo yêu cầu nút gửi nút nhận nằm tần số thời điểm (cấp phát kênh) truyền liệu thành công Truyền đa kênh phải phối hợp chuyển kênh nhịp nhàng nút cảm biến số lượng tần số kích thước mạng tăng lên, vấn đề cấp phát kênh nút mạng trở nên phức tạp cần phải thiết kế cách chi tiết - Cuối cùng, mạng cảm biến có cấu hình lớn chứa đến hàng ngàn nút nên phải lựa chọn giải pháp định tuyến thích hợp cho truyền đa kênh để giúp tìm đường trạm gốc Có nhiều giải pháp định tuyến khác nhau, quan trọng định tuyến Các cơng trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng CNTT-TT phân cụm Phương pháp phân chia mạng lớn thành cụm, cụm đại diện cụm trưởng để chịu trách nhiệm xử lý liệu nhận cụm truyền trạm gốc Các phương pháp định tuyến phân cụm, lại chia thành định tuyến phân cụm liên tục theo kiện Trong phương pháp định tuyến phân cụm liên tục, liệu cảm biến liên tục gửi trạm gốc phương pháp định tuyến phân cụm theo kiện gửi liệu có kiện xuất hiện, giúp tiết kiệm lượng mạng Tuỳ thuộc vào trường hợp cụ thể, giải pháp truyền đa kênh lựa chọn phương pháp định tuyến phù hợp Các giao thức truyền đa kênh áp dụng mạng cảm biến không dây thu hút quan tâm nhà khoa học từ lâu Trong số giao thức truyền đa kênh này, có số giao thức thực phối hợp kênh đa truy cập khơng giải tốn định tuyến [8-10] Có số giao thức khác đưa vào giải toán định tuyến truyền đa kênh, cụ thể giao thức [11-16]… Trong số giao thức định tuyến kết hợp với truyền đa kênh này, có số giao thức thực định tuyến phân cụm real-time MAC protocol [11], Multichannel clustering [12], eTMCP [17] Cụ thể real-time MAC [11] đưa giao thức truyền đa kênh thời gian thực định tuyến thực cách phân chia toàn mạng thành tế bào hay cụm, cụm cấp tần số cố định Tác giả đánh giá hiệu giao thức thơng qua phân tích tốn học mô công cụ NS2 Kết hai phương pháp cho thấy giao thức cung cấp mức trễ thấp thông lượng đạt lớn điều kiện tải đầu vào cao Nhược điểm giao thức trình định tuyến đích chưa giải thích rõ ràng Ở [12] giao thức Multichannel Clustering chia mạng thành cụm dựa độ lớn liệu cảm biến cụm cụm cấp tần số cố định Khác với [11], giao thức không trọng cung cấp độ trễ thấp mà ưu tiên tăng thời gian sống hiệu suất sử dụng kênh Tập V-2, Số 14 (34), tháng 12/2015 truyền Phương pháp đánh giá hiệu sử dụng mô khơng sử dụng mơ hình tốn học eTMCP [17] số giao thức truyền đa kênh triển khai hệ thống thật việc cấp phát kênh cho cụm thực dựa vào thuyết điều khiển Kết đánh giá hiệu hệ thống thật mô cho thấy eTMCP đạt băng thông lớn, giảm trễ chuyển kênh giảm tắc nghẽn Nhược điểm lớn eTMCP chưa quan tâm đến lượng tiêu hao mạng trễ Sau xem xét phương pháp đa kênh kết hợp với định tuyến phân cụm, nhận thấy chưa có giải pháp đa kênh thực định tuyến phân cụm theo kiện để tận dụng ưu điểm Trong khn khổ báo này, tơi đề xuất giải pháp truyền đa kênh có tên mMRC (Multichannel Cluster-based Routing Scheme) dựa phương thức định tuyến phân cụm để tận dụng ưu điểm tiết kiệm lượng thực mạng kích thước lớn Cụ thể nữa, có kiện xẩy ra, nút tham gia kiện chia thành m cụm nhỏ, cụm có cụm trưởng (Cluster Head – CH) chịu trách nhiệm thu thập tổng hợp liệu m CH tiến hành tìm đường liệu truyền song song m tần số đích Việc thành lập cụm tìm đường thực tần số , m đường truyền liệu m tần số từ Để giải toán chồng kênh tuyến đường song song này, mMRC sử dụng tần số trực giao nhiều nút cảm biến sử dụng đến 16 tần số trực giao dải tần 2.4GHz Để giải toán xung đột, sử dụng phương pháp đa truy cập CSMA/CA phương pháp TDMA Việc phối hợp kênh tần số (một tần số quảng bá m tần số truyền liệu) để đảm bảo tính chất bán song công nút cảm biến mô tả chi tiết phần IV - 45 - Các cơng trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng CNTT-TT Tập V-2, Số 14 (34), tháng 12/2015 Trong Eamp biến thiên theo khoảng cách d Eamp = Efs mơ hình khơng gian tự d