Việc nhóm các node cảm biến thành các cụm được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu để thực hiện khả năng mở rộng mạng, tiết kiệm năng lượng và giao tiếp dữ liệu một cách hiệu quả. Tất cả các cụm đều có một cụm đầu não như trong hình 2.8 [9].
Trạm gốc
Đầu cuối người sử dụng Đầu cuối PDA
Liên kết Internet
Bộ cảm biến Cụm đầu não
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
Hình 2.8: Kiến trúc mạng cảm biến được phân cấp.
Các cụm đầu não sẽ có nhiệm vụ thu thập, tập hợp và chuyển tiếp dữ liệu. Các liên lạc có thể diễn ra trong cùng một cụm (giữa các node và cụm đầu não trong cụm đó) hoặc giữa các cụm (giữa một node trong cụm với một node trong cụm khác). Trong trường hợp liên lạc giữa các cụm, các cụm đầu não đóng vai trò quan trọng, quyết định đến sự thành công của liên lạc. Trong hầu hết các phương pháp phân cấp, việc đầu tiên là phải chọn cụm đầu não giữa các node trong mạng. Sau đó, các node còn lại sẽ lần lượt trở thành cụm đầu não. Quá trình lựa chọn cụm đầu não luôn là một vấn đề khó. Các phương pháp lựa chọn cụm đầu não thường sử dụng phương pháp lựa chọn ngẫu nhiên. Các phương pháp lựa chọn cụm được phân chia thành bốn loại: phương pháp phỏng đoán (heuristic scheme), phương pháp phân cấp (hierarchical scheme), phương pháp trọng số (weighted scheme) và phương pháp lưới (grid scheme). Trong đó, các thuật toán phân cấp đóng vai trò quan trọng trong việc thực hiện các mục tiêu thiết kế.
Một số thuộc tính quan trọng cần quan tâm khi tiến hành phân cấp trong các mạng cảm biến không dây là:
Chi phí cho quá trình phân cấp: Mặc dù quá trình phân cấp
đóng vai trò quan trọng trong quá trình tổ chức cấu trúc Topo mạng, nhưng thường có rất nhiều tài nguyên khác như
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
các nhiệm vụ liên lạc và xử lý trong việc xây dựng và duy trì cấu trúc Topo mạng.
Lựa chọn các cụm và cụm đầu não: Với quá trình thiết kế
các ứng dụng riêng cho mạng cảm biến không dây, các nhà thiết kế phải xem xét cấu trúc của các cụm trong mạng. Phụ thuộc vào từng loại ứng dụng, các yêu cầu riêng cho các node trong một cụm hoặc kích thước vật lý của các node có thể đóng vai trò quan trọng trong quá trình hoạt động. Điều kiện ban đầu này có thể ảnh hưởng đến cách thức chọn các cụm đầu não trong từng ứng dụng.
Vận hành thời gian thực: Thời gian sống của dữ liệu cũng
là một tiêu chuẩn cơ bản trong thiết kế các mạng cảm biến không dây. Trong các ứng dụng như giám sát môi trường sống, dữ liệu phải được thu một cách hiệu quả để có thể phân tích. Điều đó có nghĩa là trễ không phải là vấn đề quan trọng. Với ứng dụng truy tìm trong quân sự, vấn đề về thu dữ liệu thời gian thực lại là vấn đề chính. Do đó, cần phải tính đến trễ trong phương pháp phân cấp. Ngoài ra, thời gian thực cũng yêu cầu cơ chế khôi phục cụm phải được tính đến.
Đồng bộ: Một trong những giới hạn đầu tiên của mạng cảm
biến không dây là giới hạn về năng lượng của node. Các phương pháp truyền sử dụng khe (như phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA) sẽ cho phép các node
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
thường xuyên có những khoảng thời gian ở chế độ ngủ nhằm tối thiểu hóa năng lượng. Các phương pháp này yêu cầu các cơ chế đồng bộ để thiết lập và duy trì quá trình truyền dẫn. Khi xem xét phương pháp phân cấp, việc đồng bộ và lập lịch có ảnh hưởng lớn đến thời gian sống và quá trình vận hành của toàn mạng.
Tập hợp dữ liệu: Tập hợp dữ liệu cho phép phân biệt dữ liệu
cảm biến và dữ liệu hữu ích. Với công suất được yêu cầu cho các nhiệm vụ xử lý ít hơn các nhiệm vụ liên lạc, thì lượng dữ liệu được truyền trong mạng cần phải được tối thiểu hóa. Rất nhiều các phương pháp phân cấp cung cấp khả năng tập hợp dữ liệu, và do đó, các yêu cầu về tập hợp dữ liệu cần phải được xem xét một cách cẩn thận khi chọn phương pháp tiếp cận phân cấp.
Các cơ chế sửa chữa: Các node trong mạng cảm biến không
dây thường dễ bị hỏng do tính di động, không sử dụng được và nhiễu. Tất các trường hợp này có thể dẫn đến lỗi liên kết. Trong các phương pháp phân cấp, các cơ chế khôi phục liên kết và liên lạc dữ liệu an toàn là rất quan trọng.
Chất lượng dịch vụ (QoS): Mạng cảm biến không dây có rất
nhiều yêu cầu về QoS. Rất nhiều các yêu cầu này đều phụ thuộc vào ứng dụng (như giảm mất gói và trễ cho phép), và như vậy, cần phải xét đến các chuẩn khi chọn phương pháp phân cấp. Khả năng bao phủ là khu vực được các node cảm
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
biến giám sát. Thời gian sống của mạng là khoảng thời gian mà mạng cảm biến có thể được duy trì và cung cấp thông tin một cách hiệu quả trong khu vực bao phủ. Có thể hiểu rằng mỗi mục tiêu trong mạng phải được bao phủ bởi nhiều node để có thể duy trì được kết nối kể cả khi một bộ cảm biến bị lỗi. Các yêu cầu giao tiếp cao hơn cũng được yêu cầu với các giao tiếp phù hợp. Đó là các yêu cầu về khả năng bao phủ – Q và kết nối – P. Khả năng bao phủ – Q có nghĩa là mỗi điểm trong mặt phẳng sẽ được bao phủ bởi ít nhất q bộ cảm biến khác nhau. Khả năng kết nối – P có nghĩa là có ít nhất p đường kết nối giữa hai bộ cảm biến bất kỳ. Tối ưu hóa mạng dẫn đến quá trình xử lý thiết kế cần xem xét các yếu tố này.