Phần II: CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ CHO WSN
Chương 5: Đa kênh và truyền thông thời gian thực
5.1 Giao thức đa kênh phân cụm trong mạng WSN
5.1.2 Chi tiết của phương pháp
Chúng ta giả thiết một sự triển khai ngẫu nhiên và dày đặc của các nút cảm biến trong trường cảm biến. Trong ví dụ về rừng cháy, các nút cảm biến sẽ được thả xuống khu rừng (trường cảm biến) với một sự phân phối đồng đều. Chúng ra cũng giả thiết rằng khi triển khai, mỗi nút sẽ biết vị trí của nó và tất cả các nút đều được đồng bộ. Các nút sẽ còn cố định và truyền thông trên môi trường tần số radio. Sau khi triển khai các cảm biến phải định ra một mạng để duy trì kết nối với the sink và hoạt động cảm nhận cộng tác. Phương pháp thông thường để làm như vậy là xác định các vùng nhỏ của các nút cảm biến. Clusterheads gửi dữ liệu tập hợp vùng đến the sink. Sự phối hợp này làm giảm thông lượng mạng tới the sink và bởi vậy tiết kiệm được năng lượng truyền thông và cũng tiết kiệm băng thông. Clusterheads định ra một đường trục để duy trì kết nối trên trường cảm biến và với sink. Với ứng dụng này chúng ra chọn việc nhóm các nút dựa trên sự tương quan dữ liệu với quy định rằng các nút gần về mặt địa lí thì có sự tương quan dữ liệu cao. Điều này làm tăng khả năng của chúng ta trong việc liên kết một cách chính xác giữa các khu vực và phân vùng.
Chúng ta đưa ra một bộ gộp đa kênh. Kênh truyền thông được chia một cách logic thành các kênh con dựa trên độ chi tiết muốn có của dữ liệu. Như đã đề cập đến từ trước, trạng thái ở gần về mặt địa lí chỉ ra tính tương quan dữ liệu cao. Bởi vậy, các nút lấy mẫu dữ liệu, ví dụ như nhiệt độ trong khoảng từ 10-20 độ thì gần với các nút có mẫu nhiệt độ trong khoảng 20 30 độ và sự truyền thông của chúng trên các kênh kế - tiếp có thể đưa ra kết quả bị nhiễu khá cao. Do đó, việc phân nhiệm vụ kênh nên được hoàn thành theo hướng làm giảm nhiễu tối đa. Ví dụ nếu chúng ta muốn cảm nhận nhiệt độ với khoảng cách 10 độ, chúng ta chia thành 12 kênh, ở đó nhiệt độ dưới 10 độ sẽ được báo cáo bởi kênh 1, từ 10 tới 20 độ sẽ được báo cáo bởi kênh 11, từ 20 tới 30 sẽ được báo cáo bởi kênh 2, 30-40 là kênh 10… Nhiệt độ trên 100 độ sẽ được báo cáo bởi kênh 6. Một kênh được dành riêng gọi là kênh 0 sẽ dùng như là kênh điều khiển chung.
Các nút lấy mẫu dữ liệu trong một giới hạn đặc biệt sẽ truyền thông tin trên một kênh định trước. Do đó, tất cả các nút trên một mặt phẳng dữ liệu như nhau sẽ chỉnh sóng của chúng tới cùng một kênh. Các cảm biến sẽ được gom lại một cách tự nhiên bởi các kênh mà chúng truyền dữ liệu trên đó. Sự phân kênh con có thể đạt đến bằng nhiều cách, ví dụ như sử dụng CDMA.
Tất cả các nút cảm biến có độ chi tiết (granularity setting) mặc định có thể được điều chỉnh bởi người dùng sau khi bắt đầu cài đặt. Sự ổn định của cảm nhận đa phương thức có thể đạt đến bằng cách giảm mức chi tiết (granularity) của vùng dữ liệu. Để làm cho kỹ thuật này ổn định đối với các cấp của độ chi tiết, chúng ta có thể chia mặt phẳng dữ liệu thành nhiều cluster và tái sử dụng kênh qua các cluster. Tái sử dụng kênh sẽ đồng bộ các nút.
Khởi tạo
Các cảm biến điều chỉnh tần số radio cho phù hợp với một kênh nhất định. Tất cả các nút trên cùng một vùng dữ liệu bầu ra một clusterhead. Một vùng dữ liệu có thể được chia thành nhiều cluster dựa trên tầm truyền của nút. Vì vậy có thể có nhiều ánh xạ
giữa vùng dữ liệu và cluster. Clusterhead sẽ giao tiếp với nhau và với đích trong kênh điều khiển và vì vậy tạo nên “xương sống” (blackbone) của các kết nối tới đích.
Cần chú ý rằng mỗi cluster có thể được ánh xạ lên một đường dẫn địa lý. Trong thời gian gây dựng, mỗi sensor sẽ gửi tọa độ của nó, giá trị lấy mẫu và nhãn thời gian cho clusterhead mà nó bầu chọn ở trên kênh dữ liệu. Clusterhead sẽ truyền dữ liệu mà nó thu thập được theo vùng dữ liệu tới đích đến, theo kênh điều khiển. Ban đầu môi trường của ta là tĩnh, nên tất cả các đường dẫn đều tĩnh.
Data Plane 1 tương ứng với nhiệt độ <= 40 độ Data Plane 2 tương ứng với nhiệt độ <=20 độ Data Plane 3 tương ứng với nhiệt độ <=80 độ Data Plane 4 tương ứng với nhiệt độ <= 60 độ
Hình 5.1: Các Data plane và các tương quan Patche/Cluster Hiệu quả của năng lượng
Chúng ta quan sát thấy trong bất cứ mặt phẳng dữ liệu riêng biệt nào, tất cả các nút đều báo cáo nhiều hơn hay ít hơn cùng một dữ liệu từ góc nhìn của người dùng.
Nếu không, người dùng sẽ điều chỉnh các mặt phẳng để đạt đến độ chi tiết tốt hơn. Các dữ liệu dư thừa không cung cấp các thông tin thêm nào mà còn gây ra việc tiêu hao
năng lượng, sự bất đồng cao và mất băng thông. Một cách lý tưởng, chỉ một nút đại diện nên lấy mẫu dữ liệu tại một thời điểm trong khi các nút khác trong mặt phẳng có thể trong trạng thái ngủ để tiết kiệm năng lượng. Khi các nút đã xác định được vùng dữ liệu của chúng, mỗi nút thức dậy một cách định kỳ để lấy mẫu dữ liệu và kiểm tra xem dữ liệu có trong cùng vùng dữ liệu không. Có ít nhất một nút hoạt động (clusterhead) trong một cluster để đảm bảo việc kết nối và cho phép các nút chuyển cluster để có thể thông báo các đối tác mới của chúng. Nút hoạt động sẽ chuyển đổi nhiệm vụ với nút không hoạt động sau một khoảng thời gian xác định nào đó. Do đó, trong khi một nút lấy mẫu dữ liệu và truyền đi thông tin lấy mẫu, các nút khác trong cluster nhận biết được kênh truyền đang trong trạng thái bận sẽ chuyển sang trạng thái ngủ cho đến khi dữ liệu được truyền xong. Bởi vậy, các nút có thể hầu như nhận thấy nếu như dữ liệu của chúng đang được truyền đi. Nếu sự xuất hiện của một sự việc được nhận biết bởi một vài nút, sẽ có sự xung đột giữa các nút nhằm giành kênh để truyền đi cùng một chú ý sự kiện tới clusterhead. Nút đầu tiền thắng trong sự tranh chấp bắt đầu truyền thông tin đi. Các nút khác nhận biết được kênh truyền đang bận và hủy các gói dữ liệu thông báo đi, tiếp tục chuyển sang trạng thái ngủ với giả thiết rằng dữ liệu đã được truyền đi bởi nút khác trong vùng lân cận. Theo cách đó, kỹ thuật cảm nhận ảo dẫn đến kết quả tiết kiệm được năng. Kỹ thuật này cũng dẫn đến ít sự truyền tin hơn giúp làm giảm thông lượng và xung đột, do đó, làm tăng tính khả dụng của băng thông. Đặc biệt, một nút cảm biến lấy mẫu dữ liệu theo định kỳ để phát hiện ra bất kì sự thay đổi vùng nào, hay phản hồi lại một truy vấn.
Các nút cảm biến sử dụng cảm nhận ảo có thể không phải lấy mẫu dữ liệu trên một câu truy vấn. Nếu một nút nhận được yêu cầu lấy dữ liệu, sau đó trước khi lấy mẫu, nó kiểm tra kênh truyền dữ liệu có bận không. Nếu như kênh truyền bận thì nút có thể đáp lại yêu cầu với một phản hồi xác nhận hay phủ định mà không cần phải lấy mẫu dữ liệu. Một mặt phẳng dữ liệu bao phủ một không gian lớn. Vì vậy, để duy trì kết nối xuyên qua các cluster tương ứng, chúng ta có thể sử dụng một cấu trúc cây của các
nút hoạt động có gốc là clusterhead như ở hình 6.2. Một cách lý tưởng, một cây đại diện cho một vùng bao phủ nhỏ nhất cho cluster. Các nút hoạt động tạo nên cây được đặt ở các vị trí sao cho mọi nút trong cluster đều nằm trong ranh giới truyền tín hiệu của ít nhất một nút hoạt động.
Data Plane 1 tương ứng với nhiệt độ <= 40 độ Data Plane 2 tương ứng với nhiệt độ <=20 độ Data Plane 3 tương ứng với nhiệt độ <=80 độ Data Plane 4 tương ứng với nhiệt độ <= 60 độ