(b), và 3-chiều (c). Vùng phủ có bán kính < và tâm tại nút.
r u r u r r (a) (b) (c)
Cho một mạng 89 = (/, ) và một ấn định khoảng , graph thông tin
(communication graph) được bao hàm bởi trên mạng 89 tại thời điểm ) được định nghĩa là graph có hướng = (/, A())), trong đó cạnh có hướng B, @ tồn tại nếu và chỉ nếu () ≥ CD(, )), (, ))E, với CD(, )), (, ))E là khoảng cách Ơ-clit (Euclidean) giữa và tại thời điểm ). Nói cách khác, liên kết vô tuyến có hướng (, ) tồn tại nếu và chỉ nếu khoảng cách các nút và gần bằng () tại thời điểm ). Khi đó nói là một lân cận cấp 1 (1- hop neighbor), hoặc lân cận (neighbor) của nút . Một liên kết vô tuyến được gọi là hai hướng (bidirectional), hoặc đối xứng (symmetric), tại thời điểm ) nếu (, ) ∈ A()) và (, ) ∈ A()). Trong trường hợp đó, và được gọi là những lân cận đối xứng (symmetric neighbors)
Ấn định khoảng công suất cực đại (maxpower range assignment) là () = <=>? cho mọi nút , tức là mọi nút trong mạng đều phát ở công suất cực đại. Graph thông tin thu được được gọi là graph công suất cực đại (maxpower graph), biểu diễn tập tất cả liên kết thông tin có thể giữa các nút trong mạng.
Nói ấn định khoảng là đang kết nối tại thời điểm) (connecting at time)), hoặc đang kết nối (connecting) nếu graph thông tin thu được tại thời điểm ) đã kết nối bền, tức là nếu với bất kỳ cặp nút và , tồn tại ít nhất một đường trực tiếp từ đến . Một ấn định khoảng trongđó tất cả các nút có cùng khoảng phát <, với 0 < < ≤ <=>?, được gọi là đồng nhất< (<-homogeneous). Khi không cần quan tâm đến giá trị chính xác của <, ấn định khoảng đồng nhất- < sẽ được gọi đơn giản là đồng nhất (homogeneous). Graph thông tin sinh ra từ ấn định khoảng đồng nhất có thể được coi như vô hướng bởi (, ) ∈ A()) ⇔ (, ) ∈ A()).
Nếu mạng di động, ấn định khoảng có thể thay đổi theo thời gian để giữ nguyên một tính chất nhất định của graph thông tin, như tính kết nối. Thông thường, có thể định nghĩa một chuỗi các ấn định khoảng H, I, … trong khoảng thời gian mạng hoạt động, với J là ấn định khoảng tại thời điểm )K, và việc chuyển đổi giữa các ấn định khoảng được xác định bởi một giao thức thích hợp.
Nếu mạng tĩnh, không di chuyển (tức là vị trí của mọi nút không thay đổi trong suốt thời gian hoạt động của mạng), mô hình trên có thể đơn giản
hóa bằng cách coi là hàm chỉ có tham biến /. Tuy nhiên, trên lý thuyết, nhiều ấn định khoảng khác nhau có thể được sử dụng trong thời gian mạng hoạt động. Ấn định khoảng có thể thay đổi, thí dụ để để hỗ trợ cho các loại lưu lượng khác nhau, hoặc để cân đối năng lượng tiêu thụ giữa các nút mạng. Do vậy thông thường graph thông tin phụ thuộc vào thời gian ngay cả trong trường hợp mạng tĩnh.
2.3. 2.3. 2.3.
2.3. Mô hình tiêu thụ năng lượngMô hình tiêu thụ năng lượng Mô hình tiêu thụ năng lượngMô hình tiêu thụ năng lượng
Một trong những quan ngại chính của việc thiết kế mạng ad hoc-sensor là hiệu quả sử dụng của năng lượng. Do đó việc xây dựng chính xác mô hình tiêu thụ năng lượng của nút là một vấn đề cơ bản. Các tính chất của nút mạng ad hoc và mạng sensor thực sự khác nhau nhiều nên mô hình năng lượng của hai mạng này sẽ được trình bày riêng.
2.3.1. Mạng Ad hoc
Mạng ad hoc có thể được được tạo thành từ các nút thuộc nhiều loại khác nhau như máy tính cầm tay, điện thoại di động, máy tính bỏ túi, các thiết bị thông minh,… Mạng ad hoc cũng có thể được tạo thành từ các thiết bị hỗn tạp (mạng ubiquitous). Dựa vào tính đa dạng này, cách tiếp cận thông thường là chỉ tập trung sự chú ý vào mức tiêu thụ năng lượng của các bộ thu phát vô tuyến. Và trên thực tế, vấn đề chính là điều khiển tô pô sao cho giảm thiểu năng lương dùng vào việc trao đổi thông tin.
Tùy thuộc vào chủng loại thiết bị, lượng năng lượng tiêu thụ bởi bộ thu phát chiếm từ 15% (laptop với card không dây IEEE 802.11) đến 35% (PDAs) tổng năng lượng tiêu hao của nút. Do phần năng lượng tiêu thụ bởi card không dây chiếm phần đáng kể trong tổng năng lượng tiêu hao của nút nên tối ưu năng lượng sử dụng để trao đổi thông tin là một vấn đề quan trọng.
Thường thì một card không dây IEEE 802.11 hoạt động ở 4 chế độ:
− Idle: Phần vô tuyến (radio) bật nhưng không được sử dụng.
− Receive: Phần vô tuyến đang nhận số liệu.
− Sleep: Phần vô tuyến tắt.
Bảng 2-2 cho thấy công suất tiêu thụ của card Cisco Aironet IEEE 802.11 a/b/g. Trong bảng cũng có khoảng phát danh định khi card hoạt động ở mức công suất toàn phần (full power). Như trong đó cho thấy, khoảng phát danh định phụ thuộc vào các tham số môi trường (điều kiện trong nhà, ngoài nhà) và tốc độ truyền số liệu.
Bảng 2-2. Mức tiêu hao công suất danh định và khoảng phát của card vô tuyến CISCO IEEE 802.11 a/b/g. Trong bảng, giá trị cực tiểu của khoảng danh định ứng với tốc độ truyền số liệu cực đại (54 Mbps) và giá trị cực đại ứng với tốc độ truyền số liệu 6Mbps.
Công suất Idle (mA) Công suất Tx (mA) Công suất Rx (mA) 802.11 a 203 554 318 802.11 b 203 539 327 802.11 g 203 530 282 Khoảng Tx trong nhà (m)
Khoảng Tx ngoài trời (m)
802.11 a 13—50 30—300
802.11 b/g 27—92 76—396
Số liệu trong bảng là số liệu danh định, trên thực tế mức tiêu thụ năng lượng của card có thể khác biệt đáng kể. Các đo đạc trong phòng thí nghiệm cho thấy một điểm quan trọng đó là mọi sự chuyển trạng thái vô tuyến đều phải chi phí một lượng năng lượng không nhỏ, đặc biệt là khi chuyển từ trạng thái sleep (tắt) sang trạng thái idle (bật).
Mức tiêu thụ năng lượng của nút được mô hình hóa ở dạng tỉ lệ công suất LMNNO: PMN: <Q: )Q. Tức là chỉ cần quan tâm đến giá trị tương đối của mức tiêu thụ năng lượng chứ không cần biết giá trị thực. Để mô hình đơn giản hơn, ta quy ước mức tiêu thụ công suất phần vô tuyến là 1 khi phần vô tuyến ở trạng thái idle, là 1. Q khi phần vô tuyến nhận số liệu, là 1. S khi phần vô tuyến truyền phát số liệu hoạt động ở mức công suất toàn phần, và là 0. T
khi ở trạng thái sleep. Các giá trị thực sự của Q, S, T tùy thuộc vào từng thiết bị.
Lưu ý rằng tỉ lệ 1. S sử dụng trong mô hình trên chính là mức tiêu thụ năng lượng tương đối của phần vô tuyến khi card truyền phát số liệu ở mức công suất cực đại. Nói cách khác ta sẽ thấy điều khiển cấu hình chính là dựa vào khả năng của nút vô tuyến để điều chỉnh động khoảng phát của thiết bị. Đặc tính này thực sự có ở một số card IEEE 802.11 như các sản phẩm của Cisco chẳng hạn. Ví dụ card Cisco Aironet IEEE 802.11 a/b/g có thể điều chỉnh công suất phát trong khoảng từ 1mW đến 100mW. Tuy nhiên đây chỉ là phần năng lượng tiêu thụ bởi bộ khuyếch đại vô tuyến, một phần của toàn bộ năng lương tiêu thụ bởi card. Thực tế là card tiêu thụ năng lượng đáng kể thì công suất của các hệ mạch tương tự và số sẽ tăng lên.
Vấn đề làm thế nào để mô hình hóa mức tiêu thụ năng lương khi phần vô tuyến không phát tín hiệu ở mức công suất cực đại chưa có câu trả lời rõ ràng.
2.3.2. Mạng sensor
Trong trường hợp mạng sensor, việc đưa ra một mô hình năng lượng đơn giản và sát với thực tế có dễ dàng hơn trường hợp mạng ad hoc. Thực tế mạng sensor thường được cấu thành từ các thiết bị đồng nhất và đơn giản. Hơn nữa, thuộc tính của phần lớn loại nút cảm ứng đã được biết đến nên đã có nhiều báo cáo đo đạc mức tiêu thụ năng lượng của các cảm biết không dây trong phòng thí nghiệm [32]. Bảng 2-3 cho biết công suất tiêu hao của một nút cảm biết Rockwell’s WINS [34]. Nút được cấu thành từ 3 thành phần chính: bộ phận vi điều điều khiển (microcontroller unit – MCU), bộ phận cảm biến (sensor), và bộ phận vô tuyến (wireless radio). Nếu chỉ xét mức tiêu thụ năng lượng của bộ phận vô tuyến, ta có tỉ lệ sleep:idle:rx:tx là 0.09:1:1.07:2.02. Lưu ý rằng tỉ lệ này tương tự như trường hợp của card không dây 802.11, ngoại trừ công suất tiêu thụ cao hơn khi phần vô tuyến phát tín hiệu ở mức công suất cực đại. Khi công suất phát ở mức tối thiểu (0.12 mW), tỉ lệ idle:tx ở bộ cảm biến WINS là 1.12. Như vậy công suất tiêu thụ tăng gần hai lần khi thay đổi công suất phát từ tối thiểu lên tối đa. Điều
này có nghĩa là thay đổi mức công suất tiêu thụ sẽ gây ra ảnh hưởng đáng kể đối với mức năng lương tiêu thụ của nút.
Bảng 2-3. Công suất tiêu hao của một nút cảm biết Rockwell’s WINS.
Chế độ MCU Chế độ Sensor Chế độ Radio Tổng công suất (mA)
On On Tx (power 36.3 mW) 1080.5 On On Tx (power 0.12 mW) 771.1 On On Rx 751.6 On On Idle 727.5 On On Sleep 416.3 On On Removed 383.3 Sleep On Removed 64.0 2.4. 2.4. 2.4.
2.4. Mô hình di động Mô hình di động Mô hình di động Mô hình di động
Khả năng di chuyển của các nút mạng là tính năng nổi bật và quan trọng của các mạng ad hoc và trong một số trường hợp bao gồm cả các mạng WSN. Do đó việc nghiên cứu về khả năng hoạt động của các giao thức mạng ad hoc/sensor trong thế giới di động là một giai đoạn quan trọng của chu trình thiết kế. Vì các triển khai của các mạng ad hoc/sensor rất ít thấy, các đối tượng chuyển động trong thế giới thực rất khó nắm bắt và ghi nhận nên cách tiếp cận thông thường là sử dụng các mô hình di động nhân tạo/giả thực để mô phỏng và nghiên cứu.
Mô hình di động cho các mạng ad hoc/sensor nên có những đặc tả như sau:
− Các chuyển động thế giới thực tương đồng (resemble real-life movements): đưa ra những khả năng sử dụng rộng rãi các ứng dụng của mạng ad hoc/sensor, sự di chuyển của các đối tượng (patterns) là rất đa dạng: di chuyển của sinh viên trên các phương tiện giao thông trên đường, sự di chuyển của nhóm du khách ở vùng ngoại ô, sự di chuyển của các nhóm cứu hộ ở những vùng thảm họa và từ các sensor ở các dòng chảy ở đại dương cho đến sự di chuyển của động vật trong các ứng dụng WSN theo dõi sự di chuyển của động vật.
Đưa ra một mô hình duy nhất tương đồng với tất cả các loại hình di động là điều không thể. Tuy nhiên, môt mô hình di động nên đặc tả ít nhất một kịch bản ứng dụng.
− Đơn giản cho mô phỏng và phân tích: Vì các mô hình di động được sử dụng để mô phỏng các mạng ad hoc, mô hình nên đơn giản để có thể tích hợp với các bộ/công cụ mô phỏng (simulator) để các ứng dụng mô phỏng có thể chạy trong thời gian thích hợp. Hơn nữa, sử dụng các mô hình di động đơn giản làm dễ dàng hơn công việc đưa ra các kết quả phân tích có ý nghĩa khi sử dụng các tham số mạng cơ bản trong thế giới di động. Thêm nữa, những kết quả có thể được sử dụng để tối ưu hoạt động của các giao thức mạng ad hoc/sensor. Rõ ràng hai mục đích trên mâu thuẫn với nhau: mô hình càng thực tế thì càng phải chi tiết các tham số và mức độ phức tạp của mô hình sẽ tăng theo. Cho nên một mô hình di động nên là sự hài hòa giữ tính đặc tả và tính đơn giản. Nó nên đặt sự quan tâm vào các đặc điểm quan trọng nhất của một loại đối tượng chuyển động cụ thế và ít quan tâm đến các chi tiết ít quan trọng hơn.
Trong phần dưới, chúng ta mô tả tóm tắt các mô hình di động quan trọng nhất được sử dụng trong mô phỏng các mạng ad hoc/sensor [3] [11].
2.4.1. Mô hình điểm đích ngẫu nhiên (Random waypoint model) waypoint model)
Đây là mô hình di động thông dụng nhất cho các mạng ad hoc. Một trong các lý do cho sự phổ dụng của nó bởi vì nó được đưa vào các công cụ mô phỏng phổ biến như là Ns2 [28] và GloMoSim [42]. Mô hình điểm đích ngẫu nhiên (RWP) đã được giới thiệu ở [21] để nghiên cứu hoạt động của giao thức định tuyến DSR . Trong mô hình này, mỗi nút đồng loạt chọn ngẫu nhiên một điểm đích (waypoint) trong vùng hoạt động R và di chuyển hướng đến các điểm đích theo một đường thẳng. vân tốc của nút là ngẫu nhiên trong khoảng [vmin, vmax], vmin và vmax là vận tốc tối thiểu và vận tốc cực đại của nút. Khi nút đến được đích, nó đứng yên trong một khoảng thời gian được định trước rồi tiếp tục di chuyển theo cùng một đối tượng.
Mô hình RWP có tính miêu tả một chuyển động của một đối tượng, trong ngữ cảnh đơn giản: mỗi nút di chuyển độc lập với các nút khác và nó có khả năng di chuyển vào bất kỳ một vùng con R. Ví dụ: một loại di chuyển giống nhau có thể phát sinh khi người sử dụng đi và một phòng rộng, ngoài trời hoặc trong một môi trường phẳng.
Vì tính phổ dụng của nó, di chuyển RWP đã được nghiên cứu kỹ trong học thuật. Trong trường hợp riêng, sự phân bố không gian lâu dài của các mạng di động RWP là tập trung vào trung tâm của các vùng triển khai (hiệu ứng biên) [5] [6] [8], và tốc độ trung bình của nút được định nghĩa như là trung bình của vận tốc các nút tại một thời điểm, giảm dần theo thời gian [41]. Những quan sát này mang đến sự quan tâm của cộng đồng vào thực tế rằng các mạng di động RWP phải được mô phỏng cẩn thận. Trong trường hợp riêng hoạt động của mạng nên được đánh giá sau một khoảng khởi động, khoảng khởi động phải đủ dài để mang đạt đến không gian nút và trung bình vận tốc nút phân bố ổn định.
Mô hình RWP cũng đướng khái quát hóa theo hướng thực tế hơn cho dù nó vẫn là những mô hình đơn giản. Ví dụ, theo [6] mô hình RWP được mở rộng bằng cách cho phép các nút được chọn thời gian dừng theo phân phối xác xuất ngẫu nhiên. Ngoài ra, một phần ngẫu nhiên của các nút mạng đứng yên trong toàn bộ quá trình mô phỏng.
2.4.2. Mô hình hướng ngẫu nhiên (Random dierection model - RD) dierection model - RD)
Tương tự như mô hình RWP, RD tương đồng các phần tử mạng coi các chuyển động là không cản trở (obstacle free). Mô hình này được tạo ra để duy trì sự sự phân bố không gian các nút một cách đồng bộ trong suốt quá trình mô phỏng do đó bỏ qua hiệu ứng biên như trong mô hình RWP.
Trong mô hình này [35], mỗi nút chọn một đích ngẫu nhiên trong khoảng thời gian [0, 2π] và vận tộc ngẫu nhiên trong khoảng [vmin, vmax]. Di chuyển trong một hướng chọn trước với vận tốc cho trước. Khi nút chạm vào biên của miền R, nó sẽ chọn một hướng mới và vận tốc mới và cứ thế tiếp tục.
Những biến đổi của mô hình cũng được trình bày. Ở biến đổi đầu tiên [17] [29], một nút được bật lại (bounced back) khi nó chạm vào biên của vùng triển khai. Trong một biến đổi khác [4], nút di chuyển theo thời gian ngẫu nhiên, rồi đổi hướng và đổi vận tốc di chuyển.
2.4.3. Chuyển động Brownian-like (Brownian-like motion) motion)
Ngược với trường hợp của RWP và RD, lớp những mô hình chuyển động Brownian-like tương đồng những chuyển động không cố ý (nonintentional motion). Bởi lý do này những mô hình này đôi khi được gọi là những mô hình kiểu người say (drunkardlike).
Trong chuyển động Brownian-like vị trí của một nút tại một thời điếp phụ thuộc vào vị trí nút ở bước trước. Cụ thể là không có việc mô hình rõ ràng của các hướng di chuyển và vận tốc được sử dụng.
Một ví dụ của chuyển động Brownian-like là mô hình được sử dụng ở [36]. Sự di động được mô hình dựa vào ba tham số pstat, pmove và m. Tham số đầu đại diện cho xác xuất một nút đứng yên trong suốt quá trình mô phỏng. Tham số pmove là xác xuất một nút di chuyển tại một thời điểm. Tham số m mô hình, mở rộng vận tốc: nếu một nút đang di chuyển tại bước i, vị trí của