Thông thƣờng, đối với các ứng dụng khác nhau sẽ có các giải pháp mạng khác nhau. Câu hỏi đặt ra là tối ƣu mạng bằng cách nào, làm thế nào để so sánh các giải pháp, làm thế nào để quyết định phƣơng pháp tiếp cận hỗ trợ tốt hơn ứng dụng đã cho, và làm thế nào để biến các mục tiêu tối ƣu thành các hệ số chất lƣợng đo đƣợc?
31
1.3.1 Chất lượng dịch vụ
Mạng cảm biến khác với các mạng thông tin truyền thống chủ yếu là ở loại dịch vụ mà nó cung cấp. Các mạng truyền thốngchỉ có nhiệm vụ dịch chuyển các bit từ nơi này đến nơi khác. Các yêu cầu sẽ đƣợc thêm vào để có đƣợc chất lƣợng dịch vụ (QoS) mong muốn, đặc biệt là trong các ứng dụng đa phƣơng tiện. Giống nhƣ các mạng truyền thống, QoS của WSN phụ thuộc nhiều vào ứng dụng. Một số đặc điểm chung xuất hiện ở hầu hết các ứng dụng là:
Xác suất phát hiện/báo cáo sự kiện: Là xác suất một sự kiện thực sự đã xảy ra nhƣng không đƣợc phát hiện, chính xác hơn là không đƣợc báo cáo về bộ thu (đang quan tâm đến sự kiện này). Rõ ràng xác suất này có thể phụ thuộc vào sự thỏa hiệp về chi phí thiết lập cấu trúc mạng hỗ trợ báo cáo sự kiện (ví dụ các bảng định tuyến) hoặc chi phí chạy thực (ví dụ tần số lấy mẫu).
Lỗi phân loại sự kiện: Nếu các sự kiện không chỉ đƣợc phát hiện mà còn đƣợc phân loại thì lỗi phân loại sự kiện phải rất nhỏ.
Trễ phát hiện sự kiện: Đó là trễ từ lúc phát hiện sự kiện cho đến khi báo cáo nó với một số hoặc tất cả các bộ thu có liên quan.
Báo cáo lỗi: Trong các ứng dụng yêu cầu phải có báo cáo định kỳ, khả năng các báo cáo chƣa đƣợc đọc phải rất nhỏ.
Độ chính xác của phép tính gần đúng: là sai số tuyệt đối hoặc tƣơng đối trung bình/lớn nhất của hàm gần đúng so với hàm thực tế trong các ứng dụng có chức năng tính gần đúng (ví dụ, tính gần đúng nhiệt độ là hàm theo vị trí của một địa điểm đã cho).
Độ chính xác theo dõi: Trong các ứng dụng theo dõi, phải không đƣợc để lạc mất đối tƣợng đƣợc theo dõi. Vị trí báo cáo phải gần nhất có thể so với vị trí thực và lỗi phải nhỏ.
1.3.2 Hiệu quả năng lượng
Năng lƣợng là một nguồn tài nguyên quý giá trong các mạng cảm biến không dây và do đó, hiệu quả năng lƣợng hiển nhiên là mục tiêu tối ƣu. Với một lƣợng năng lƣợng tùy ý, hầu hết các số liệu QoS đƣợc định nghĩa ở trên có thể đƣợc tăng theo ý muốn (độ chính xác theo dõi và độ chính xác của phép tính gần đúng phụ thuộc vào mật độ mạng).
Thuật ngữ hiệu quả năng lƣợng biểu diễn nhiều mặt khác nhau của một hệ thống và cần phân biệt rõ ràng với các hệ số chất lƣợng đo đƣợc trên thực tế. Các khía cạnh thƣờng đƣợc quan tâm nhất là:
Năng lƣợng cho mỗi bit nhận đƣợc: Tính trung bình, sử dụng bao nhiêu năng lƣợng để truyền một bit thông tin từ nguồn đến đích? (đếm tất cả các nguồn tiêu thụ năng lƣợng ở tất cả các trạm trung gian có thể). Đây là thƣớc đo cho các ứng dụng giám sát định kỳ.
Năng lƣợng cho mỗi sự kiện (duy nhất): Tƣơng tự nhƣ vậy, năng lƣợng trung bình đƣợc sử dụng để báo cáo một sự kiện là bao nhiêu? Do một sự kiện đôi khi đƣợc báo cáo từ các nguồn khác nhau, nên thƣờng chuẩn hóa số liệu này chỉ đối với các sự kiện có tính duy nhất (thông tin dự phòng về một sự kiện đã biết sẽ không cung cấp thêm thông tin).
32
tính "khẩn cấp" nên cần phải cung cấp thêm năng lƣợng để báo cáo ngay các hiện tƣợng nhƣ vậy. Ở đây, sự cân nhắc giữa độ trễ và tổng chi phí năng lƣợng là vấn đề rất đƣợc quan tâm.
Tuổi thọ của mạng: đó là thời gian mạng hoạt động hay thời gian để mạng hoàn thành nhiệm vụ của nó (ứng với mức năng lƣợng mà nó lƣu trữ). Có thể định nghĩa tuổi thọ của mạng theo các cách khác nhau:
Thời gian đến khi nút đầu tiên chết: Khi nút đầu tiên trong mạng hết năng lƣợng, hỏng hay ngừng hoạt động.
Nửa tuổi thọ của mạng: Khi 50% số nút hết năng lƣợng và dừng hoạt động.
Thời gian phân chia: Khi lần đầu tiên mạng đƣợc chia thành hai phần không nối với nhau. Điều này xảy ra ngay khi nút đầu tiên chết (nếu nút nằm ở vị trí chủ chốt) hoặc rất lâu sau khi điều này xảy ra nếu mạng có cấu hình bền vững.
Thời gian mất vùng bao phủ: Thông thƣờng, với các mạng triển khai dƣ thì các cảm biến có thể quan sát một vùng thay vì chỉ quan sát một điểm tại vị trí đặt nút. Nhƣ vậy, mỗi nút trong vùng đó đƣợc quan sát bởi nhiều nút cảm biến. Hệ số chất lƣợng cần quan tâm ở đây sẽ là thời điểm khi lần đầu tiên một vị trí bấtkỳ trong khu vực triển khai không còn nằm trong vùng quan sát của một nút nào. Nếu có k nút cùng quan sát một vị trí (ví dụ nhƣ trong các ứng dụng theo dõi) thì định nghĩa thời gian mất vùng bao phủ sẽ là thời điểm lần đầu tiên một nút bất kỳ trong vùng triển khai không còn bao phủ bởi các nút cảm biến k khác nhau.
Tuổi thọ của mạng là một vấn đề khó thống kê. Rõ ràng là thời gian này càng dài càng tốt. Tất cả những số liệu trên chỉ có thể đƣợc đánh giá một cách rõ ràng trên giả định về các đặc tính tiêu thụ năng lƣợng của nút đã cho, về tải "thực tế" của mạng và hoạt độngcủa kênh vô tuyến.
1.3.3 Khả năng mở rộng
Khả năng duy trì các tính năng kỹ thuật mà không phụ thuộc vào kích thƣớc của mạng đƣợc gọi là khả năng mở rộng. Với một WSN gồm hàng ngàn nút, khả năng mở rộng là một yêu cầu rõ ràng không thể thiếu. Khả năng mở rộng phục vụ cho các cấu trúc đòi hỏi tính nhất quán, ví dụ nhƣ các địa chỉ hay đầu vào bảng định tuyến. Do đó, cần phải hạn chế thông tin này, kèm theo đó là hạn chế tài nguyên của các nút cảm biến, đặc biệt là bộ nhớ.
Khả năng mở rộng có ảnh hƣởng trực tiếp đến việc thiết kế giao thức. Các kiến trúc và giao thức nên hỗ trợ khả năng mở rộng hơn là cố gắng để thực hiện nó. Khả năng mở rộng có hiệu quả cao hơn với các ứng dụng chỉ có vài chục nút cảm biến thay vì có hàng ngàn nút.
1.3.4 Tính bền vững
Liên quan đến QoS và các yêu cầu về khả năng mở rộng, mạng cảm biến không dây cũng phải có tính bền vững thích hợp. Mạng không thể bị lỗi chỉ vì một số nút hết năng lƣợng, hoặc vì thay đổi môi trƣờng, hoặc vì đứt đƣờng kết nối vô tuyến giữa hai nút (lỗi này có thể đƣợc khắc phục bằng cách tìm các tuyến đƣờng khác). Đánh giá chính xác tính bền vững của mạng trên thực tế là một vấn đề khó và nó chủ yếu phụ thuộc vào các mô hình lỗi cho cả hai nút và các tuyến giao tiếp.
33
1.4 Các quy tắcthiết kế cho WSN
QoS, hiệu quả năng lƣợng và khả năng mở rộng là những tiêu chí quan trọng khi thiết kế mạng cảm biến không dây, nhƣng bản thân những mục tiêu này không cung cấp nhiều gợi ý về cách cấu trúc một mạng cảm biến. Phần tiếp theo sẽ giới thiệu một số nguyên tắc cơ bản có thể có ích khi thiết kế giao thức mạng.
1.4.1 Tổ chức phân bố
Khả năng mở rộng và tính bền vững là hai mục tiêu tối ƣu, và ngoài ra để thoả mãn một số mục đích khác nữa thì mạng phải đƣợc tổ chức dƣới dạng phân bố. Điều đó có nghĩa là không có thực thể tập trung phụ trách, ví dụ nhƣ giám sát truy cập môi trƣờng hay ra các quyết định định tuyến, nó tƣơng tự nhƣ nhiệm vụ thực hiện bởi một trạm gốc trong mạng di động. Nhƣợc điểm của phƣơng pháp tập trung là dễ thất bại và khó thực hiện trong mạng vô tuyến, nơi mà các đối tƣợng chỉ có một dải giao tiếp hạn chế. Thay vào đó, các nút của WSN phải hợp tác với nhau trong mạng, sử dụng các giao thức và thuật toán phân bố. Tự tổ chức là một thuật ngữ thƣờng đƣợc dùng cho nguyên tắc này.
Khi tổ chức một mạng theo kiểu phân bố, cần phải nhận thức đƣợc các hạn chế của phƣơng pháp này. Trong nhiều trƣờng hợp, phƣơng pháp tập trung có thể cho các giải pháp tốt hơn hoặc yêu cầu ít tài nguyên hơn (đặc biệt là năng lƣợng).
1.4.2 Xử lý trong mạng
Khi tổ chức mạng theo kiểu phân bố, các nút trong mạng không chỉ truyền các gói tin hay thực hiện các chƣơng trình ứng dụng, chúng còn phải tích cực tham gia vào việc quyết định cách thức hoạt động của mạng. Đây là một hình thức cụ thể của xử lý thông tin xảy ra trong mạng, nhƣng bị giới hạn thông tin về chính bản thân mạng. Có thể để mở rộng khái niệm này bằng cách lấy dữ liệu cụ thể sẽ truyền qua mạng đƣa vào quá trình xử lý thông tin này, thực hiện xử lý trong mạng là bƣớc đầu tiên trong nguyên tắc thiết kế.Xử lý trong mạng bao gồm một số kỹ thuật:
Tập hợp:
Có lẽ tập hợp là kỹ thuật xử lý trong mạng đơn giản nhất. Giả sử một bộ thu có số liệu từ các phép đo định kỳ của tất cả các cảm biến, nhƣng nó chỉ thích hợp để kiểmtra xem giá trị trung bình có thay đổi không, hoặc sự chênh lệch giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất có quá lớn không. Trong trƣờng hợp này, rõ ràng là không cần phải chuyển tất cả dữ liệu từ các cảm biến đến bộ thu, cụ thể là nó chỉ cần gửi giá trị trung bình, lớn nhất và nhỏ nhất đến bộ thu. Tên gọi
tập hợpbắt nguồn từ thực tế là tại các nút trung gian giữa nguồn và bộ thu, thông tin đƣợc tập hợp lại thành một dạng cô đặc, tách biệt với thông tin có đƣợc từ các nút ở xa bộ thu.
Rõ ràng, chức năng tập hợp áp dụng trong các nút trung gian phải đáp ứng một số điều kiện để kết quả có ý nghĩa. Quan trọng nhất, chức năng phải có thể cấu hình. Các chức năng nhƣ lấy trung bình, đếm, hoặc tối thiểu sẽ có nhiều lợi thế nếu dùng tập hợp. Các chức năng có tính toàn diện nhƣ vẽ đƣờng trung bình không hoàn toàn tuân theo tập hợp.
Hình 1.10 minh họa các ý tƣởng của tập hợp. Trong nửa trái, một số cảm biến chuyển giá trị đến bộ thuqua giao tiếp đa bƣớc nhảy. Tổng cộng có 13 tin nhắn đƣợc yêu cầu (các số
34
trong hình cho thấy số tin nhắn truyền qua một kết nối đã cho). Khi các nút đƣợc đánh dấu để tạo tập hợp, ví dụ, bằng cách tính toán giá trị trung bình (hiển thị trong nửa bên phải của hình), chỉ có 6 tin nhắn là cần thiết. Những khó khăn trong trƣờng hợp này là làm thế nào để xác định vị trí tạo tập hợp và tạo từ những nút nào, bao lâu thì có kết quả và xác định tác động của các gói tin bị mất.
Hình 1.11.Ví dụ tập hợp Mã hoá nguồn phân bố và nén phân bố:
Thông tin đƣợc tập hợp về các giá trị đo đƣợc không chỉ để truyền tất cả các bit dữ liệu từ tất cả các nguồn về bộ thu. Câu hỏi đặt ra là có thể giảm số lƣợng bit truyền (so với việc chỉ đơn giản là truyền tất cả các bit) nhƣng vẫn có thông tin đầy đủ về cảm biến ở bộ thu?
Câu trả lời của câu hỏi này có liên quan đến vấn đề mã hóa và nén trong mạng thông thƣờng, nơi mà vấn đề mã hóa rất đƣợc coi trọng. So với mạng thông thƣờng, mạng cảm biến có một số khác biệt. WSN quan tâm đến việc mã hóa thông tin đƣợc cung cấp bởi một số cảm biến. Sơ đồ mã hóa truyền thống thƣờng tập trung vào việc mã hóa, mà điều này tạo ra những quá trình tính toán phức tạp cho các nút cảm biến đơn giản.
Làm thế nào để thông tin đƣợc cung cấp bởi nhiều bộ cảm biến giúp đỡ cho quá trình mã hóa? Nếu các cảm biến đƣợc kết nối và có thể trao đổi dữ liệu, có thể thực hiện điều này bằng cách sử dụng thuật toán nén tiêu chuẩn, nhƣng kết quả không khả quan. Do đó, bắt buộc phải có một số liên kết ngầm giữa hai cảm biến. Trong WSN, các cảm biến này đƣợc nhúng trong một môi trƣờng vật lý nên dữ liệu thu đƣợc từ các cảm biến lân cận sẽ tƣơng tự nhau, đƣợc gọi là tƣơng quan. Mối tƣơng quan này có thể đƣợc sử dụng để không phải tất cả các dữ liệu thu đƣợc tại các cảm biến đƣợc truyền đi. Cơ sở lý thuyết cho việc này là định lý của Slepian và Wolf.
Định lý Slepian-Wolf dựa trên ví dụ về khai thác mối tƣơng quan không gian, thƣờng có trong dữ liệu của cảm biến, khi mạng đủ dày đặc. Nó đƣợc so sánh với vi phân của hàm quan sát và cấp của sự tƣơng quan giữa dữ liệu ở hai nơi. Tƣơng tự nhƣ vậy, mối tƣơng quan tức thờicó thể đƣợc sử dụng trong các giao thức mạng cảm biến.
Xửlý tín hiệu hợp tác và phân bố:
35
cảm biến, hoặc chỉ sử dụngtrong các hoạt động đơn giản nhƣ tính trung bình hoặc tìm giá trị cựcđại. Khi thực hiện các tính toán phức tạp đối với một lƣợng dữ liệu nhất định, vẫn có thể đạt hiệu suất năng lƣợng cao hơn khi tính các hàm này tại các nút cảm biến, mặc dù công suất xử lý của các nút này bị hạn chế, vì giảm đƣợc khối lƣợng dữ liệu truyềnđi.
Một ví dụ cho khái niệm này là biến đổi Fourier nhanh (Fast Fourier Transform -FFT). Phụ thuộc vào địa điểm nhận dữ liệu vào mà có các thuật toán khác nhau để tính toán FFT theo luật phân bố, với các thoả hiệp khác nhau giữa độ phức tạp của tính toánvà yêu cầu của thông tin. Về nguyên tắc, đây là thuật toán tƣơng tự nhƣ thiết kế cho các máy tính song song. Tuy nhiên, độ trễ của giao tiếp, năng lƣợng tiêu thụ của giao tiếp và độ phức tạp trong tính toán là các tham số quyết định việc lựa chọn thuật toán.
1.4.3 Tính chính xác và độ tin cậy
Trong trƣờng hợp chỉ có một nút duy nhất, độ tin cậy của kết quả tính toán phụ thuộc vào năng lƣợng dùng cho phép toán. Khái niệm này có thể mở rộng cho toàn mạng.
Ví dụ, xét ứng dụng tính gần đúng hàm. Rõ ràng, càng nhiều cảm biến tham gia vào quá trình tính xấp xỉ thì hàm đƣợclấy mẫu ở càng nhiều điểm và kết quả sẽ tốt hơn. Bù lại, phải sử dụng nhiều năng lƣợng hơn.
1.4.4 Tập trung dữ liệu
Tập trung vào dữ liệu thay vì các nút:
Trong các mạng thông tin truyền thống, trọng tâm của mối quan hệ giao tiếp thƣờng là cặp đối tƣợng ngang hàng - ngƣời gửi và ngƣời nhận dữ liệu. Tuy nhiên, trong mạng cảm biến không dây, ứng dụng không chú trọng quá nhiều vào việc nhận dạng nút cảm biến riêng biệt mà tập trung vào thông tin thực tế về môi trƣờng vật lý. Đặc biệt trong trƣờng hợp khi WSN triển khai dƣ, tức là một hiện tƣợng có thể đƣợc quan sát bởi nhiều nút cảm biến. Ứng dụng cũng không quan tâm một cách chính xác là nút nào đang cung cấp dữ liệu. Mạng mà dữ liệu là trung tâm của sự chú ý chứ không phải các nút đƣợc gọi là mạng tập trung dữ liệu. Đối với các ứng dụng, điều này có nghĩa là giao diện đƣợc đƣa ra bởi mạng, nơi mà dữ liệu, chứ không phải các nút, đƣợc đánh địa chỉ theo yêu cầu. Tập các nút tham gia vào việc đánh địa chỉ tập trung dữ liệu nhƣ vậy đƣợc xác định bởi lƣợng dữ liệu mà nó đóng góp vào địa chỉ.