Tham số Giá trị
Số nút c m biến tham gia mô phỏng 100
Tọa ộ nút trong miền 100m x 100m Ngẫu nhiên Tọa ộ mục tiêu (tag) trong miền 100m x 100m Ngẫu nhiên
Số cụm tối thiểu, tối a 1 10 Số cụm mong muốn (desired) 5 Năng lư ng pin khởi tạo của nút c m biến 2 J
Năng lư ng nh n 1 bít 5 nJ Năng lư ng (sóng vô tuyến) ể gửi 1 bít 50 nJ
Hệ số khuếch ại khi truyền sóng 10pJ/bit/m2 Công suất lúc chờ (Idle), lúc ngủ (Sleep) 0 W
Tốc ộ truyền sóng 1 Mbps ch thước header (hdr_size) 25 Byte ch thước dữ liệu c m nh n (sig_size) 500 Byte
Thời gian mỗi vòng (T)/data fusion (T) 20 s (option) Số nút trong cụm mỗi (n) Ngẫu nhiên Sai số cho phép của kho ng cách (δ) 1 m
Tọa độ mục tiêu và nút cảm biến có thể thay đổi ngẫu nhiên trong phạm vi mặt ph ng (100m x 100m), mô phỏng này giả thiết tọa độ mục tiêu là (70m, 70m) (xem Hình 2.3). Giao thức truy cập mạng ở tầng MAC là CSMA/CA, các nút trong cụm truy cập đƣờng truyền theo giao thức TDMA.
m
Trong thời gian mô phỏng, sau chu ỳ T = 20s, mạng đƣợc ph n cụm lại, số cụm và số nút cảm iến trong mỗi cụm có thể khác nhau tùy thuộc vào tính ngẫu nhiên của việc lựa chọn CH và việc lựa chọn nút thành viên trong cụm của CH đó. Việc áp dụng thuật toán ETR- F để mô phỏng theo 21 chu kỳ và đối với các cụm nút cảm iến, với mỗi chu kỳ có 3 đến 8 cấu hình mạng (21 chu kỳ với hơn 100 cấu hình mạng).
Theo mô phỏng, ở gi y thứ 80, mạng cảm iến đƣợc chia thành 4 cụm nhƣ Hình 2.4, các nút trong cụm ầu cụm trƣởng (CH) th o thuật toán LEACH, ph n ố vị tr các nút trong cụm so với CH và Tag nhƣ sau: Cụm 1 có 48 nút (xem Hình 2.4a), cụm 2 có 25 nút (xem Hình 2.4b), cụm 3 có 11 nút (xem Hình 2.4c), cụm 4 có 16 nút (xem Hình 2.4d).
p ụng ETR- F để lựa chọn các nút g i kết quả đo đến CH, ví dụ ở gi y thứ 80 (x m Hình 2.5) đối với Cụm 1 (Hình 2.5 a) và Cụm 4 (Hình 2.5 b). Hình 2.4. Ph n ố nút, CH và mục tiêu (Tag) ở gi y thứ 80. T ag T ag T ag T ag (a) (b) (c) (d) m m m m m m m m
Cụm 1 với 48 nút (gồm cả CH), sau khi áp dụng thuật toán ETR-DF, có 13 nút trong số 47 nút đƣợc chọn để CH lấy dữ liệu. Nhƣ vậy, có 34 nút không bị tổn hao năng lƣợng do phải g i dữ liệu đến CH. Với cấu hình mô phỏng ở Bảng 2.1 và kết quả mô phỏng, t nh đƣợc số dữ liệu cảm biến
(sig_size) tiết kiệm đƣợc từ 34 nút này là 681 (sig_size), tƣơng đƣơng với
681*500 byte = 340.500 byte. Vì tổn hao năng lƣợng để g i 1 bit là 50nJ, nên năng lƣợng tiết kiệm đƣợc của 34 nút là 340.500 byte * 8bit/byte * 50nJ/bit =
1.362.000.000 nJ = 0.1362J. Trong trƣờng hợp này, hiệu quả tiết kiệm năng
lƣợng đạt 76.5%.
Với Cụm 4, khi áp dụng ETR-DF, tất cả các nút tham gia quá trình g i nhận dữ liệu. Vì vậy cụm 4 này (1 trong 4 cụm ở vòng thứ 4 tại giây thứ 80) không tiết kiệm đƣợc năng lƣợng của nút trong cụm.
Tuy nhiên, có trƣờng hợp đặc biệt khi hiệu quả tiết kiệm năng lƣợng đạt đến 100%. Ví dụ ở giây thứ 120, mạng đƣợc chia thành 7 cụm. Theo kết quả mô phỏng vị trí của các nút của cụm thứ 7 so với CH và Tag ở Hình 2.6. Đ y là trƣờng hợp đặc biệt khi áp dụng ETR-DF bởi vì CH đóng thêm vai trò nhƣ 1 nút cảm biến. Hiệu quả tiết kiệm năng lƣợng của cụm đạt 100% với điều kiện trong trƣờng hợp này là nút CH phải hoàn toàn tin cậy và việc s dụng kết quả đo từ một nút cảm biến không ảnh hƣởng đến hiệu quả đo lƣờng.
Hình 2.5. p ụng để lựa chọn nút: a) Cụm 1: 48 nút; ) Cụm 4: 16 nút d1 d2 d0 d2 d1 d0 T ag CH CH T ag (a) (b) m m m m
Bằng ph n t ch tƣơng tự số liệu đối với tất cả các cụm trong mỗi chu kỳ T
= 20s và so sánh với LEACH trong thời gian mô phỏng 420 giây với tổng số
105 cấu hình cụm nút ngẫu nhiên, kết quả nhƣ sau: tại từng cụm, tỉ lệ nút đƣợc lựa chọn so với tổng số nút trong cụm ao động với khoảng rất lớn, từ 0% ến
100%. Tuy nhiên nếu tính trong từng chu kỳ T thì hiệu quả khoảng từ 23.5%
ến 76.52%. Tổng hợp hiệu quả trung bình của các cụm theo chu kỳ T trong
thời gian mô phỏng giữa ETR-DF và LEACH ở Bảng 2.2.
Hiệu quả tiết kiệm năng lƣợng nhờ hạn chế việc g i dữ liệu bằng sóng vô tuyến đƣợc tính trung bình và biểu diễn ở Hình 2.7.
ảng 2.2. Hiệu quả của việc giảm số lƣợng gói tin của ETR-DF và LEACH
Đơn vị tính: sig_size, 1 sig_size = 500 byte)
Time (sth) 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 ETR-DF 553 730 1175 833 928 1587 1236 377 1228 870 589 LEACH 1328 2638 2125 1725 1709 2074 1893 1286 3076 2308 2116 Efficent (%) 41.64 27.67 55.29 48.29 54.30 76.52 65.29 29.32 39.92 37.69 27.84 Time (sth) 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 ETR-DF 1152 902 752 547 1193 950 722 569 204 747 LEACH 1590 1714 1719 1303 2683 1716 1082 1790 868 1644 Efficent (%) 72.45 52.63 43.75 41.98 44.47 55.36 66.73 31.79 23.50 45.44
Hình 2.6. p ụng thuật giải đối với Cụm 7 thời điểm gi y thứ 120. CH
Tag
m m
2.1.5. K t uậ về ả p áp ETR-DF
Giải pháp đề xuất một phƣơng pháp lựa chọn một số nút cảm biến trong cụm thỏa mãn điều kiện đƣờng đi ngắn nhất giữa nút đó với CH và mục tiêu. Giải pháp này đã mang lại hiệu quả tiết kiệm ư c năng lư ng của nút cảm biến (nhờ việc giảm số lƣợng nút phải truyền dữ liệu đến CH đồng nghĩa với giảm số gói tin đƣợc truyền từ các nút cảm biến trong cụm g i đến CH) đồng thời hạn chế nguy cơ gây nghẽn mạng. Ngoài ra, với việc ƣu tiên lựa chọn nút cảm biến gần với CH và mục tiêu theo dõi đã đạt đƣợc tiêu chí hướng ến ộ
hội tụ về không gian (nghĩa là hƣớng đến việc tối ƣu hóa về khoảng cách của
nút cảm biến so với CH và nút cảm biến so với mục tiêu, càng gần càng tốt). Giải pháp ETR-DF phát huy hiệu quả trong điều kiện năng lƣợng dự trữ của các nút cảm biến há/tƣơng đối đồng đều. Khi đó, yếu tố về khoảng cách đƣợc xem là tiêu chí quyết định để lựa chọn. Ngoài ra, yêu cầu về độ tin cậy của nút cảm biến cũng đƣợc đặt ra vì trong một số trƣờng hợp, số liệu đo từ một nút cảm biến có thể đƣợc xem là tốt hơn so với kết quả tổng hợp từ nhiều nút cảm biến. Thuật toán này s dụng một số thủ tục nhập, xác định tọa độ với độ phức tạp hằng số O(1), xác định vùng ƣu tiên, các nút thuộc vùng ƣu tiên có độ phức tạp tuyến tính đa thức O(P(n)) với n là số nút cảm biến.
Hình 2.7. So sánh việc s ụng năng lƣợng giữa ETR-DF và LEACH
t
Kết quả nghiên cứu đã đƣợc công bố với Công trình số 6 (“Target tracking solution for multi-sensor data fusion in wireless sensor networks”, VNU Journal of Science: Comp. Science & Com. Eng., Vol. 32, No. 2. 2016). Hƣớng nghiên cứu tiếp theo: giải pháp tối ƣu trong lựa chọn nút cảm biến dựa vào năng lƣợng còn lại của nút cảm biến và vị trí của nút cảm biến so với CH và mục tiêu (target); nghiên cứu trƣờng hợp đặc biệt khi áp dụng ETR-DF với trƣờng hợp chỉ tồn tại CH trong các vùng ƣu tiên.
2.2. T õ ục t êu t íc t t ờ 2.2.1. G ớ t u t á
Đối với phƣơng pháp th o i mục tiêu dựa vào thời gian, nút cảm iến hoạt động th o chu n 802.15.4 nên nút cảm biến đo mục tiêu th o chu ỳ thức – ngủ, có nghĩa là nút chỉ đo đƣợc mục tiêu hi ở trạng thái “thức” (active) và không thể đo về mục tiêu hi nút ở trạng thái ngủ (sleep) ngay cả hi mục tiêu có sự thay đổi cần phải đo lƣờng.
Nhƣ đã trình ày ở Mục 1.4.2.2, các đề xuất [49-55] s dụng phƣơng pháp đo th o chu ỳ định sẵn. Nhƣ vậy, các phƣơng pháp đo này khi ở chu kỳ thức thì nút luôn ở trạng thái thƣờng trực và g i ữ liệu đến đ ch th o chu ỳ (ngay cả hi ữ liệu đo này hoàn toàn giống ữ liệu đo của chu kỳ trƣớc đó) vì vậy t nh ảo toàn ữ liệu đo lƣờng đƣợc đảm ảo. Ngoài ra, hi s ụng nhiều nút cảm iến sẽ đảm bảo khả năng liên tục sẵn sàng thu nhận dữ liệu hơn, cải thiện khả năng phát hiện các sự kiện bị bỏ sót khi theo dõi.
Tuy nhiên, do nút phải cần 1 thời gian hữu hạn để thực hiện một số hoạt động cơ ản và truyền dữ liệu cảm nhận sự kiện đến nơi yêu cầu nên đã hạn chế tần số của phép đo. Vì vậy nhƣợc điểm phƣơng pháp th o i mục tiêu này là chỉ phù hợp hi mục tiêu có tần số iến động thấp…
Giải pháp ATTS-DF (Adaptive Target Tracking Solution for multi-sensor
nghi với iến động của mục tiêu thể hiện ở 2 tƣởng chính: khi mục tiêu biến động vƣợt ngƣỡng, nút cảm iến đang ở chế độ idle (hoặc sleep) sẽ đƣợc ật để đo lƣờng; việc chuyển trạng thái đo lƣờng của nút cảm iến từ idle (hoặc
sleep) sang active đúng vào thời điểm nút cảm biến có thể đo lƣờng ở trạng thái ình thƣờng sau khoảng thời gian để khởi động. Giải pháp ATTS-DF đƣợc thực hiện dựa trên việc đề xuất một số khái niệm: Điểm đo iến động, trạng thái ổn định đo lƣờng, thời gian đo th ch ứng và phƣơng pháp ự đoán giá trị đo mục tiêu th o xác suất giả thiết đã iết trƣớc.
2.2.2. G ả p áp ATTS-DF
2.2.2.1. Điểm o biến ộng
Giải pháp s ụng 3 mốc thời gian Tbefore, Tpoint , Tmeasure ở Hình 2.8. Trong đó, Tbefore là mốc thời gian nút ắt đầu chuyển sang trạng thái idle (hoặc
sleep); Tpoint là thời điểm nút x m xét để chuyển trạng thái từ idle (hoặc sleep) sang sẵn sàng đo lƣờng và đƣợc gọi là điểm đo biến động (sau mốc thời gian này, việc th o i iến động của mục tiêu đƣợc s ụng để điều hiển quyết định chuyển trạng thái của nút); Tmeasure là thời điểm quyết định đo lƣờng.
2.2.2.2. Thời gian o th ch ứng
Giả s giá trị đo mục tiêu của nút cảm iến có thể iểu iễn ởi hàm số
f(t) th o thời gian (time). Tại thời điểm Tpoint , giá trị đo là f(Tpoint) = Vpoint có xu hƣớng thay đổi giá trị để đạt f(Tmeasure) = Vmeasure tại thời điểm Tmeasure . Độ chênh lệch ΔV = |Vmeasure - Vpoint | ≥ 0. Gọi thời gian đo th ch ứng là ΔT. Trong hoảng ΔT , f(t) đơn điệu giảm hi Vmeasure < Vpoint và f(t) đơn điệu tăng hi
Vmeasure > Vpoint. Không mất t nh tổng quát, giả s f(t) tăng nhƣ ở Hình 2.8, hi đó hàm giá trị th ch ứng là f(t) [Vmeasure, Vpoint] với t [Tmeasure, Tpoint].
Nhƣ vậy, thời gian đo thích ứng ký hiệu là ΔT là khoảng thời gian đƣợc tính từ điểm đo iến động (Tpoint ) đến thời điểm quyết định đo lƣờng (Tmeasure).
2.2.2.3. Ngưỡng o
Ngƣỡng đo thể hiện trên 02 đối tƣợng là mục tiêu cần đo lƣờng và nút là thiết bị đo. Một mục tiêu có thể có nhiều thuộc t nh đo lƣờng ví dụ nhƣ độ m, nhiệt độ, ánh sáng... Nút cảm biến cũng phải có khả năng đo lƣờng các thuộc t nh đó. Khi mục tiêu xảy ra sự kiện và một thuộc tính cần đo lƣờng của mục tiêu có biến động với iên độ (độ lệch) vƣợt một giá trị nào đó đặt trƣớc và xem giá trị này nhƣ là một ngƣỡng thì nút sẽ đo lƣờng (xem Hình 2.9).
Hình 2.9. Thay đổi của thuộc t nh hi vƣợt ngƣỡng
Đối với nút, khi mục tiêu biến động, giá trị đo đƣợc của nút vƣợt giá trị ngƣỡng nào đó (có thể đặt trƣớc) thì việc đo lƣờng của nút bắt đầu diễn ra thực sự, giá trị đo lƣờng đó đƣợc ghi nhận để g i đến CH. Thông thƣờng, biểu diễn sự thay đổi của mục tiêu và của nút có thể hình dáng (hàm số)
Thay đổi của mục tiêu Threshold Value Time f(x)
Tbefore Tpoint Tmeasure Vbefore
Vpoint Vmeasure
ΔT
ΔV
không hoàn toàn giống nhau bởi vì thực tế, thiết bị điện t khó có thể biểu diễn đƣợc hoàn toàn sự biến động của mục tiêu. Khi biến động của mục tiêu làm cho giá trị đo của nút ƣới ngƣỡng thì nút vẫn ở trạng thái hông đo lƣờng (là idle hoặc sleep). Giải pháp đề xuất s dụng giá trị ngƣỡng đo lƣờng (threshold) của nút, ký hiệu là δ và giả thiết là đã iết trƣớc.
2.2.2.4. Trạng thái ổn ịnh o lường
Đo lƣờng mục tiêu của nút dựa trên việc điện t hóa các đại lƣợng không có tính chất điện thành các đại lƣợng có thể đo và x l đƣợc bằng tín hiệu điện t . Các kích thích của mục tiêu sẽ tác động đến bộ phận cảm nhận của nút, bộ phận này là linh kiện điện t vì vậy có độ trễ (response time) nhất định
Δstart để có thể đạt trạng thái ổn định đo lường (steady state) nhƣ Hình 2.10.
Hình 2.10. Mô hình chuyển trạng thái của nút cảm biến
2.2.2.5. Dự o n
Giả s độ trễ đó là Δstart. Giải pháp ATTS- F hƣớng đến mối quan hệ giữa ΔT (thời gian đo th ch ứng) và Δstart . T nh th ch ứng (adaptive) của giải pháp này đạt l tƣởng hi ΔT = Δstart nghĩa là thời gian đo thích ứng vừa đúng với thời gian nút khởi động để đạt trạng thái ổn định đo lường. Các trƣờng hợp hác ΔT ≠ Δstart , đặt ΔAdap = | ΔT - Δstart |. Với δ là giá trị ngƣỡng đo lƣờng, hi đó f(Tmeasure)=Vmeasure = δ. Vấn đề cần giải quyết là ự đoán giá trị f(Tmeasure)
sao cho trong hoảng ΔT thì f(t) tăng (theo giả thiết) và f(Tmeasure) ≥ δ đồng time
Status of sensor (value)
Δstart steady state
thời ΔT = Δstart . Trạng thái thích ứng có nghĩa là nút hởi động và đạt trạng
thái ổn ịnh o lường úng lúc mục tiêu biến ộng vư t ngưỡng o buộc nút
phải đo lƣờng (xem Hình 2.11).
Hình 2.11. Mô hình trạng thái thích ứng của giải pháp ATTS-DF
Gọi Smovalue là độ mịn đo lƣờng của nút cảm iến, Smovalue = l có nghĩa là nút cảm iến có thể đo đƣợc l mức đo (V1, V2, …. Vl) và V1 < V2 < ….< Vl , l
càng lớn thì hả năng đo lƣờng của nút cảm iến càng mịn (smooth). Gọi
Smofreq là độ nhạy đo lƣờng hay tần số đo trong 1 gi y (s) của nút cảm iến ở trạng thái ổn định đo lƣờng, đặt Smofreq = k. Đặt m là số lần đo mục tiêu của nút cảm iến trong thời gian ΔT ơn vị tính là s), m = k * ΔT nghĩa là trong hoảng thời gian ΔT ,f(t) có thể nhận m giá trị đo từ l giá trị có thể đo đƣợc của nút cảm iến. Gọi f(t)mi là giá trị f(t) tại lần đo thứ i trong khoảng thời gian ΔT . Th ụ Hình 2.8, m = 7, vì f(t) đơn điệu tăng trong hoảng ΔT , do vậy f(Tpoint) = f(t)m1 < f(t)m2 < f(t)m3 < ...< f(t)m7 = f(Tmeasure).
Trƣờng hợp tổng quát có thể áp dụng xác suất xảy ra trƣờng hợp
f(Tmeasure) ≥ δ. Gọi Prm(Vtt) là xác suất xuất hiện giá trị đo Vttcủa lần đo thứ m, với Vtt {V1,V2...Vl-1,Vl } hi đó f(t) = Vtt với xác suất đúng Prm(Vtt) và tổng
∑ ( ) . Nghĩa là tại lần đo thứ m, Vtt có thể nhận đƣợc 1 trong l
giá trị Vtt {V1,V2...Vl-1,Vl } với xác suất nhận các giá trị đó có thể khác nhau
Δstart ΔT Time Time f(t) Threshold State of sensor
nhƣng luôn tồn tại xác suất lớn nhất để Vtt nhận một giá trị nào đó. Giá trị có xác suất lớn nhất có thể nhận đƣợc này gọi là giá trị dự đoán của tín hiệu đo
và đƣợc s dụng trong quyết định đo lƣờng khi so sánh với δ (ngƣỡng).
2.2.3. T uật t á
Đầu vào của thuật toán gồm: ngƣỡng đo lƣờng δ, theo yêu cầu của ứng dụng để chọn δ phù hợp; thời gian Δstart để nút có thể đạt trạng thái ổn định đo lƣờng; l mức giá trị có thể đo đƣợc của nút cảm biến; tần số đo k trong 1s của nút cảm iến; dạng/hàm số tín hiệu (giả thiết biết trƣớc). Dựa vào hàm tín hiệu và tần số đo để xác định số lƣợng phép đo trong khoảng thời gian nút khởi động. Giả thiết với mỗi phép đo có thể biết đƣợc xác suất nhận 1 trong l
giá trị và luôn tồn tại giá trị có xác suất nhận đƣợc cao nhất (Giá trị này đƣợc so sánh với ngƣỡng và s dụng kết quả này để ra quyết định việc chuyển trạng thái của nút. Trƣờng hợp l tƣởng, thời gian đo th ch ứng vừa đúng với