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