1.3 Các mục tiêu tối ƣu cho mạng cảm biến không dây
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 khơng đƣợc phát hiện, chính xác hơn là khơng 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 cịn 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 khơng 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 thơng 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 (thơng tin dự phịng về một sự kiện đã biết sẽ khơng cung cấp thêm thơng 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 hồn 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 khơng cịn 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 khơng cịn 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 vơ tuyến.
1.3.3 Khả năng mở rộng
Khả năng duy trì các tính năng kỹ thuật mà khơng 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 địi hỏi tính nhất quán, ví dụ nhƣ các địa chỉ hay đầu vào bảng định tuyến. Do đó, cần phải hạn chế thơng 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 khơng thể bị lỗi chỉ vì một số nút hết năng lƣợng, hoặc vì thay đổi mơi trƣờng, hoặc vì đứt đƣờng kết nối vơ 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 mơ 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 khơng có thực thể tập trung phụ trách, ví dụ nhƣ giám sát truy cập mơi 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 vơ 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 khơng chỉ truyền các gói tin hay thực hiện các chƣơng trình ứng dụng, chúng cịn 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 thơng tin xảy ra trong mạng, nhƣng bị giới hạn thơng 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 thơng 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 khơng, hoặc sự chênh lệch giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất có q lớn khơng. 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 hợp bắt nguồn từ thực tế là tại các nút trung gian giữa nguồn và bộ thu, thông tin đƣợc tập hợp lại thành một dạng cơ đặc, tách biệt với thơng 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 tồn diện nhƣ vẽ đƣờng trung bình khơng hồn tồn tn 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 tốn 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.