- Nghiên cứu cũng đã thực hiện mô phỏng một mạng với các hoạt động của các nút mạng gắn liền với hoạt động thu năng lượng từ mặt trời và đưa ra các kết
Chương 4 Tối ưu hóa lịch trình mạng cảm biến
4.1. Một số cơ chế lập lịch nhằm tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến
mạng cảm biến
Trong nghiên cứu phát triển và ứng dụng mạng cảm biến vấn đề quan trọng là hiệu năng mạng. Mạng cảm biến có thể thu thập dữ liệu tốt hay không là phụ thuộc vào phạm vi cảm biến và kết nối mạng của nó. Do đó, việc duy trì vùng phủ sóng cảm biến phù hợp và kết nối mạng hiệu quả là những yêu cầu thiết kế quan trọng đối với mạng cảm biến. Việc này liên quan trực tiếp và chặt chẽ với vấn đề năng lượng của các nút mạng. Vì vậy, sử dụng năng lượng tối ưu, hay giảm thiểu năng lượng tiêu hao do cảm biến và giao tiếp để kéo dài tuổi thọ mạng là một mục tiêu thiết kế quan trọng.
Một kỹ thuật phổ biến nhằm giảm thiểu mức tiêu thụ năng lượng và kéo dài tuổi thọ mạng là kết hợp đặt một số cảm biến ở chế độ nghỉ và các cảm biến khác ở chế độ hoạt động đảm nhiệm các tác vụ cảm biến và giao tiếp. Khi một cảm biến ở chế độ ngủ, nó sẽ tắt các thành phần tiêu thụ năng lượng ngoại trừ bộ hẹn giờ có mức tiêu thụ năng lượng rất thấp được bật để đánh thức cảm biến theo thời gian xác định [134]. Việc này giúp làm giảm thiểu đáng kể năng lượng tiêu thụ của các nút cảm biến [137]. Bên cạnh đó, trong tổ chức cấu trúc mạng dựa trên nhóm, mỗi nhóm sẽ chọn một nút đóng vai trò nhóm trưởng đảm nhiệm việc giao tiếp giữa các nút khác trong nhóm với các nhóm khác. Các trưởng nhóm thường được chọn theo nguyên tắc giảm thiểu tổng mức tiêu thụ năng lượng và đảm bảo duy trì thời gian sống của toàn mạng. Vai trò trưởng nhóm có thể được hoán đổi, xoay vòng giữa các cảm biến để cân bằng mức tiêu thụ năng lượng trong nhóm để tránh việc một nút làm trưởng nhóm quá lâu dẫn đến cạn kiệt năng lượng dẫn đến vô hiệu hóa nhóm, làm mất vùng phủ sóng do nhóm đảm nhiệm và phá vỡ các liên kết mạng gây ảnh hưởng xấu đến toàn mạng.
Lập lịch tối ưu cho mạng cảm biến là một phương pháp dựa trên cấu trúc mạng và phụ thuộc vào mục tiêu cần tối ưu hóa với các ràng buộc của ứng dụng để đưa ra lịch trình mạng tối ưu, nên cơ chế lập lịch rất đa dạng. Mặc dù cùng mục tiêu tối ưu nhưng cấu trúc mạng khác nhau hoặc các điều kiện ràng buộc khác nhau thì cơ chế lập lịch hoạt động cho mạng cũng khác nhau. Nhìn chung các mục tiêu tối ưu hóa trong mạng cảm biến thường đi cùng với hai vấn đề chính là tổng hợp dữ liệu và tiết kiệm năng lượng cho mạng. Việc lập lịch tối ưu cho mạng sẽ dựa trên sự kết hợp giữa cơ chế hoạt động tại mỗi nút cảm biến với các chế độ hoạt động như ngủ, đo lường, truyền thông và cơ chế hoạt động chung của toàn mạng để thực hiện mục
tiêu tối ưu hóa bài toán ứng dụng. Trên thực tế, có nhiều cơ chế lập lịch cho mạng cảm biến, luận án đi sâu nghiên cứu một số cơ chế lập lịch phổ biến và thông dụng.
4.1.1. Cơ chế lập lịch trong mạng không phân cấp
Mạng cảm biến không phân cấp bao gồm các nút cảm biến có vai trò mạng như nhau. Cơ chế lập lịch trong mạng không phân cấp được thực hiện dựa trên các nút cảm biến sẽ phát đi bản tin quảng bá thông tin bản thân như vị trí, mức năng lượng, thời gian đã làm việc liên tục,… đồng thời thăm dò, giao tiếp với các nút lân cận để đưa ra các yêu cầu đối với các nút lân cận hoặc quyết định hành động của bản thân như tiếp tục ngủ để tiết kiệm năng lượng hay thức dậy làm việc để đảm bảo chức năng, nhiệm vụ và mục tiêu của mạng. Hiện nay có nhiều cơ chế lập lịch trong mạng không phân cấp được nghiên cứu đề xuất, như cơ chế lập lịch tối đa hóa về tuổi thọ mạng cảm biến với các vấn đề hạn chế về thời lượng của pin và phạm vi cảm biến [135].
Lập lịch theo cơ chế vùng phủ sóng được hỗ trợ [136], dựa trên việc mỗi nút trong mạng tự động và định kỳ đưa ra quyết định bật hay tắt bằng cách sử dụng thông tin phủ sóng của các nút lân cận, một nút quyết định tắt nó khi phát hiện ra rằng các nút lân cận có thể giúp nó giám sát toàn bộ khu vực hoạt động của nó.
Lập lịch theo cơ chế độc lập ngẫu nhiên [137] là giải pháp lập lịch có cơ chế đơn giản. Khi bắt đầu một chu kỳ, mỗi cảm biến quyết định độc lập xem nó hoạt động (thức để làm việc) hay chuyển sang trạng thái ngủ với xác suất nào đó nhờ vậy mà tuổi thọ của mạng sẽ tăng lên.
Cơ chế lập lịch dựa trên thông tin giữa các nút lân cận [138], mỗi nút sẽ biết có bao nhiêu nút lân cận trong phạm vi phát hiện của nó đang làm việc thông qua việc gửi và nhận tín hiệu thông báo giữa các nút. Để tránh việc có nhiều nút cùng làm việc trong một vùng phủ sóng gây lãng phí năng lượng sẽ cho một số nút ngủ trong khoảng thời gian nhất định. Khi một nút được chuyển sang chế độ ngủ sẽ gửi bản tin thông báo cho các nút còn lại. Một nút nhận đủ số lượng bản tin thông báo này theo ngưỡng nhất định từ các nút lân cận, nó sẽ tự chuyển sang chế độ ngủ, đồng thời gửi đi bản tin thông báo tới các nút lân cận.
Lập lịch theo cơ chế thăm dò môi trường và cảm nhận thích nghi [139], một nút sẽ gửi đi thông tin thăm dò trong phạm vi tối thiểu của nó sau một khoảng thời gian ngủ ngẫu nhiên. Nút cảm biến sẽ tiếp tục ngủ nếu nó vẫn nhận được thông tin từ các nút lân cận đang hoạt động. Việc này tránh tình trạng lãng phí khi mà nhiều cảm biến cùng kiểm soát một vùng cảm nhận và thông tin gửi cũng trùng lặp.
Lập lịch theo cơ chế kiểm soát mật độ địa lý tối ưu [140], dựa trên thông tin vị trí của các nút cảm biến và phát hiện vùng phủ sóng của các nút đang hoạt động để từ đó tối đa hóa số lượng cảm biến ngủ trong khi đảm bảo rằng các cảm biến hoạt động giám sát toàn bộ vùng phủ sóng.
Lập lịch tự cấu hình thích nghi mục tiêu theo cấu trúc liên kết mạng [141] là duy trì một tỷ lệ phân phối dữ liệu nhất định trong khi vẫn cho một số cảm biến không cần thiết ở trạng thái ngủ để tiết kiệm năng lượng. Cơ chế này dựa trên việc cho phép các nút cảm biến tự đo lường khả năng kết nối cũng như tỷ lệ lỗi trong kết nối của chúng, từ đó có thể ra quyết định kích hoạt các nút lân cận của chúng khi
cần thiết sự hỗ trợ từ nút lân cận. Điều đó có nghĩa cho phép các cảm biến tự động điều chỉnh kết nối trong mạng để đảm bảo mức tỷ lệ phân phối dữ liệu theo yêu cầu. Lập lịch với cơ chế thăm dò môi trường và hợp tác ngủ thích nghi [142][143], là cơ chế cho phép một nút đang hoạt động sẽ chủ động chuyển sang trạng thái ngủ sau một khoảng thời gian nhất định, đồng thời nó thông tin cho các nút lân cận biết về thời gian còn sống của nó qua việc trả lời tin thăm dò, và tự lên lịch đánh thức trước khi ngủ. Điều này giúp các nút sẽ tự cân bằng thời gian làm việc và năng lượng tiêu thụ, đồng thời phòng ngừa được sự xuất hiện điểm mù trong mạng.
4.1.2.Cơ chế lập lịch cho mạng cảm biến phân cấp
Mạng cảm biến có tính chất đa dạng, phức tạp. Bên cạnh các cơ chế lập lịch cho mạng không phân cấp cũng có nhiều thuật toán lập lịch cho mạng phân cấp. Hiện nay, có nhiều cơ chế lập lịch khác nhau đã được các nghiên cứu đề xuất và phát triển, chẳng hạn như các cơ chế lập lịch trong mạng phân cấp dựa trên nhóm. Các nút cảm biến trong mạng được tổ chức thành các nhóm, trong đó có trưởng nhóm có nhiệm vụ liên lạc với các cảm biến trong nhóm của nó, sau đó liên lạc với các trưởng nhóm khác và trạm gốc. Các nút trong nhóm có thể hoạt động hoặc ngủ tùy thuộc vào tính cần thiết tại một thời điểm. Các trưởng nhóm có nhiều trách nhiệm hơn và tiêu tốn nhiều năng lượng hơn, dẫn đến các trưởng nhóm sẽ có thể hết năng lượng và ngừng hoạt động trước nhất. Khi đó nhóm sẽ không tham gia được vào hoạt động trong mạng, làm mất đi tuyến đường truyền thông và có thể gây mất vùng phủ sóng làm ảnh hưởng chung toàn mạng.
Để tránh tình trạng các trưởng nhóm nhanh bị hết năng lượng, các thuật toán lập lịch sẽ chia hoạt động của mạng thành các chu kỳ, mỗi chu kỳ sẽ lựa chọn ngẫu nhiên trưởng nhóm [144]. Như vậy, tất các các cảm biến đều có xác suất trở thành trưởng nhóm ở chu kỳ tiếp theo. Hơn nữa, số lượng trưởng nhóm cũng phải được xem xét trong vấn đề phân nhóm, nếu số lượng trưởng nhóm nhiều quá mức cần thiết trong mạng thì cũng gây lãng phí năng lượng của mạng. Vì vậy trong thuật toán thiết lập lịch hoạt động cho mạng cần phải xem xét việc xác định số lượng trưởng nhóm cần thiết [145]. Các nút đều được lựa chọn làm trưởng nhóm với xác suất nào đó và việc cần làm là tối ưu hóa số lượng trưởng nhóm để giảm thiểu chi phí năng lượng cho toàn mạng [146][147].
Lập lịch có thể dựa trên việc giám sát năng lượng trong từng nhóm bởi trưởng nhóm [148]. Các nút trong nhóm sẽ được trưởng nhóm giám sát và điều khiển việc ngủ và làm việc tùy thuộc theo mức năng lượng tương đối của nó trong nhóm. Ví dụ, mức năng lượng càng ít thì được ngủ càng nhiều, trưởng nhóm giám sát cũng được lựa chọn lại ở mỗi đầu chu kỳ hoạt động của mạng.
4.1.3.Cơ chế lập lịch hợp tác dựa trên giao tiếp
Cơ chế lập lịch hợp tác dựa trên giao tiếp được Miller và Vaidya phát triển một sơ đồ tiết kiệm điện lớp MAC đặc biệt bằng cách sử dụng tín hiệu đánh thức để giảm thời gian ở trạng thái chờ của thành phần truyền thông, do đó giảm mức tiêu
thụ điện năng truyền thông trong mạng không phân cấp [149]. Kiến trúc hai kênh sóng vô tuyến được sử dụng, một kênh để truyền dữ liệu, kênh còn lại để nút cảm biến có thể đánh thức một nút lân cận bằng bộ kích hoạt và gửi các gói tin của nó đến nút lân cận này. Trong một nghiên cứu khác [150], Nawaz và cộng sự đã phát triển một cơ chế lập lịch hợp tác với sơ đồ truyền thông lớp vật lý để tránh xung đột của nhiều luồng dữ liệu trong mạng quy mô lớn sử dụng OFDM (ghép kênh phân chia theo tần số trực giao) để giảm tiêu thụ năng lượng. Nguyen và các cộng sự [151] đã áp dụng lịch ngủ cho các nút cảm biến cùng với các kỹ thuật để giảm băng tần và nén dữ liệu để giảm dữ liệu trong truyền thông, do đó sẽ giảm tiêu thụ năng lượng trong mạng. Cách tiếp cận hợp tác nhìn chung linh hoạt hơn và phản ứng thích ứng hơn trong các ứng dụng phức tạp khi các yếu tố bên ngoài thay đổi nhanh chóng và bối cảnh làm việc rất khó dự đoán. Tuy nhiên, trong các lớp ứng dụng điển hình như theo dõi, giám sát, nơi các điều kiện này mang tính xác định hơn, chi phí truyền cho các thông điệp hợp tác sẽ tiêu tốn năng lượng một cách không cần thiết và rút ngắn thời gian tồn tại của các nút.
Do tính chất mạng cảm biến không đồng nhất có cấu trúc đa dạng, mục tiêu tối ưu phong phú và các ràng buộc, điều kiện bài toán ứng dụng rất phức tạp nên các cơ chế lập lịch cũng rất đa dạng và phức tạp. Các cơ chế lập lịch dựa trên mạng có cấu trúc không phân cấp có thể xem xét độc lập tới từng nút mạng để thực hiện các quyết định công việc đảm bảo nhiệm vụ mạng đồng thời tiết kiệm năng lượng. Nhược điểm của các cơ chế này là các nút thường xuyên phải thực hiện quảng bá bản thân và thăm dò các nút lân cận nên cũng tiêu tốn phần năng lượng khá lớn.
Các cơ chế dựa trên cấu trúc phân cấp có thể khắc phục được nhược điểm của cơ chế dựa trên cấu trúc không phân cấp bằng cách quản lý theo nhóm sẽ hạn chế được rất nhiều việc truyền tin quảng bá của các nút, nhưng lại gặp phải vấn đề gánh nặng công việc trên các nút trưởng nhóm. Các nút trưởng nhóm đòi hỏi phải có khả năng xử lý tốc độ cao với bộ nhớ lớn hơn, trong khi đây lại là hạn chế của các nút cảm biến không dây. Mặt khác, cần phải xem xét đến vấn đề tối ưu trong việc chia nhóm, việc này gây lãng phí tài nguyên và năng lượng không cần thiết khi số nhóm quá nhiều.
Các cơ chế lập lịch hợp tác dựa trên giao tiếp thể hiện sự linh hoạt hơn và có những can thiệp sâu hơn trong các phương thức nhằm tiết kiệm năng lượng cho nút mạng. Nhược điểm của cơ chế này là việc giao tiếp truyền thông qua lại các thông điệp gây tiêu tốn năng lượng.
Về cơ bản các cơ chế lập lịch đưa ra các giải pháp hạn chế sự tiêu thụ năng lượng hoặc cân bằng sử dụng năng lượng giữa các nút trong mạng nhằm tiết kiệm năng lượng và kéo dài tuổi thọ mạng. Các cơ chế lập này thường chỉ xem xét tới một điều kiện hay sự kiện nhất định mà ít quan tâm đến các mục tiêu khác của mạng. Vì vậy, mỗi cơ chế thường chỉ áp dụng được cho một bài toán cụ thể. Hơn nữa, các cơ chế đã được xác định và thực hiện dựa trên điều kiện xác định. Do đó, các bài toán thực tế khi muốn áp dụng phải xem xét tính phù hợp giữa yêu cầu bài toán và cơ chế được lựa chọn. Điều này thể hiện khả năng áp dụng của các cơ chế là rất hạn hẹp.
Trong khi các bài toán ứng dụng luôn có nhiều mục tiêu mạng cần quan tâm và tối ưu hóa. Luận án đưa ra phương pháp giải bài toán tối ưu hóa lịch trình mạng cảm biến như một cơ chế tổng thể, xem xét đến nhiều mục tiêu và các điều kiện