thể nhóm Chuyển động này định nghĩa là một tập các trưởng nhóm
được ngẫu nhiên phân vào một trong các trưởng nhóm các nhóm
R và các thành viên của mỗi nhóm ngẫu nhiên được đặt cạnh trưởng nhóm Sau đấy
trước
chuyển động theo trưởng nhóm
nhóm có thể rời nhóm vào gia nhập vào nhóm khác theo một xác suất nhất định
2.4.5. Chuyển động theo nhóm mobility
Tất cả các mô hình được mô tả ở trước tương đương với chuyển động cá thể. Tuy nhiên nhóm (ví dụ Chuyển động này. Trong các mô hình định nghĩa là một tập các trưởng nhóm
được ngẫu nhiên phân vào một trong các trưởng nhóm các nhóm. Khởi đầu
R và các thành viên của mỗi nhóm ngẫu nhiên được đặt cạnh trưởng nhóm Sau đấy, trưởng nhóm chuyển động theo một trong các mô hình đề trước, như RWP hoặc hướng ngẫu nhiên
chuyển động theo trưởng nhóm
nhóm có thể rời nhóm vào gia nhập vào nhóm khác theo một xác suất nhất định. Mô hình
Hình 2
Chuyển động theo nhóm mobility)
Tất cả các mô hình được mô tả ở trước tương đương với chuyển động cá . Tuy nhiên trong nhiều tình huống
ví dụ, các nhóm khách du lịch chuyển động trong thành phố Chuyển động group-based
Trong các mô hình
định nghĩa là một tập các trưởng nhóm
được ngẫu nhiên phân vào một trong các trưởng nhóm
Khởi đầu, các trưởng nhóm được phân phối một vùng hoạt động R và các thành viên của mỗi nhóm ngẫu nhiên được đặt cạnh trưởng nhóm
trưởng nhóm chuyển động theo một trong các mô hình đề như RWP hoặc hướng ngẫu nhiên
chuyển động theo trưởng nhóm
nhóm có thể rời nhóm vào gia nhập vào nhóm khác theo một xác suất nhất Mô hình group- 2-3. (a) Các ví dụ của RWP và nhiên hướng giao nh biên). Chuyển động theo nhóm )
Tất cả các mô hình được mô tả ở trước tương đương với chuyển động cá trong nhiều tình huống
các nhóm khách du lịch chuyển động trong thành phố based được trình bày để mô hình hoá các trường hợp
(a)
Trong các mô hình group-based
định nghĩa là một tập các trưởng nhóm
được ngẫu nhiên phân vào một trong các trưởng nhóm
các trưởng nhóm được phân phối một vùng hoạt động R và các thành viên của mỗi nhóm ngẫu nhiên được đặt cạnh trưởng nhóm
trưởng nhóm chuyển động theo một trong các mô hình đề như RWP hoặc hướng ngẫu nhiên
chuyển động theo trưởng nhóm
nhóm có thể rời nhóm vào gia nhập vào nhóm khác theo một xác suất nhất -based đã được sử dụng trong
Các ví dụ của RWP và
nhiên. Trong trường hợp chuyển động RWP hướng giao nhau tại tâm của vùng hoạt động biên).
Chuyển động theo nhóm
Tất cả các mô hình được mô tả ở trước tương đương với chuyển động cá trong nhiều tình huống
các nhóm khách du lịch chuyển động trong thành phố được trình bày để mô hình hoá các trường hợp
(a)
based, một tập nhỏ của các nodes mạng được định nghĩa là một tập các trưởng nhóm
được ngẫu nhiên phân vào một trong các trưởng nhóm
các trưởng nhóm được phân phối một vùng hoạt động R và các thành viên của mỗi nhóm ngẫu nhiên được đặt cạnh trưởng nhóm
trưởng nhóm chuyển động theo một trong các mô hình đề như RWP hoặc hướng ngẫu nhiên
chuyển động theo trưởng nhóm. Khi hai nhóm gặp nhau
nhóm có thể rời nhóm vào gia nhập vào nhóm khác theo một xác suất nhất đã được sử dụng trong
Các ví dụ của RWP và
Trong trường hợp chuyển động RWP au tại tâm của vùng hoạt động
Chuyển động theo nhóm (Group
Tất cả các mô hình được mô tả ở trước tương đương với chuyển động cá trong nhiều tình huống, các nodes chuyển động theo các các nhóm khách du lịch chuyển động trong thành phố
được trình bày để mô hình hoá các trường hợp
một tập nhỏ của các nodes mạng được định nghĩa là một tập các trưởng nhóm (group leaders)
được ngẫu nhiên phân vào một trong các trưởng nhóm
các trưởng nhóm được phân phối một vùng hoạt động R và các thành viên của mỗi nhóm ngẫu nhiên được đặt cạnh trưởng nhóm
trưởng nhóm chuyển động theo một trong các mô hình đề
như RWP hoặc hướng ngẫu nhiên. Các thành viên khác của nhóm sẽ Khi hai nhóm gặp nhau
nhóm có thể rời nhóm vào gia nhập vào nhóm khác theo một xác suất nhất đã được sử dụng trong
Các ví dụ của RWP và (b) chuyển động hướng ngẫu Trong trường hợp chuyển động RWP
au tại tâm của vùng hoạt động
(Group-based
Tất cả các mô hình được mô tả ở trước tương đương với chuyển động cá các nodes chuyển động theo các các nhóm khách du lịch chuyển động trong thành phố
được trình bày để mô hình hoá các trường hợp
(b)
một tập nhỏ của các nodes mạng được
group leaders). Các nodes còn lại được ngẫu nhiên phân vào một trong các trưởng nhóm, do v
các trưởng nhóm được phân phối một vùng hoạt động R và các thành viên của mỗi nhóm ngẫu nhiên được đặt cạnh trưởng nhóm
trưởng nhóm chuyển động theo một trong các mô hình đề
Các thành viên khác của nhóm sẽ Khi hai nhóm gặp nhau
nhóm có thể rời nhóm vào gia nhập vào nhóm khác theo một xác suất nhất đã được sử dụng trong [18] [39]
chuyển động hướng ngẫu Trong trường hợp chuyển động RWP, các nodes có xu
au tại tâm của vùng hoạt động
based
Tất cả các mô hình được mô tả ở trước tương đương với chuyển động cá các nodes chuyển động theo các các nhóm khách du lịch chuyển động trong thành phố
được trình bày để mô hình hoá các trường hợp
một tập nhỏ của các nodes mạng được Các nodes còn lại , do vậy nó tạo thành các trưởng nhóm được phân phối một vùng hoạt động R và các thành viên của mỗi nhóm ngẫu nhiên được đặt cạnh trưởng nhóm
trưởng nhóm chuyển động theo một trong các mô hình đề
Các thành viên khác của nhóm sẽ Khi hai nhóm gặp nhau, mọi thành viên nhóm có thể rời nhóm vào gia nhập vào nhóm khác theo một xác suất nhất
[39].
chuyển động hướng ngẫu các nodes có xu au tại tâm của vùng hoạt động (hiệu ứng
Tất cả các mô hình được mô tả ở trước tương đương với chuyển động cá các nodes chuyển động theo các các nhóm khách du lịch chuyển động trong thành phố). được trình bày để mô hình hoá các trường hợp
một tập nhỏ của các nodes mạng được Các nodes còn lại ậy nó tạo thành các trưởng nhóm được phân phối một vùng hoạt động R và các thành viên của mỗi nhóm ngẫu nhiên được đặt cạnh trưởng nhóm. trưởng nhóm chuyển động theo một trong các mô hình đề cập ở Các thành viên khác của nhóm sẽ mọi thành viên nhóm có thể rời nhóm vào gia nhập vào nhóm khác theo một xác suất nhất
chuyển động hướng ngẫu các nodes có xu hiệu ứng
Các ví dụ về RWP và chuyển động hướng ngẫu nhiên được thể hiện ở Hình 2-3. Ví dụ về mô hình map-based được miêu tả trong Hình 2-4.
(a) (b)
2.5. 2.5. 2.5.
2.5. Asymptotic NotationAsymptotic Notation ((((Ký hiệu tiệm cậnAsymptotic NotationAsymptotic Notation Ký hiệu tiệm cậnKý hiệu tiệm cậnKý hiệu tiệm cận))))
Chúng ta nhắc lại các ký hiệu chuẩn liên quan đến các hàm tiệm cận. Cho f và g là các hàm số với biến số x. Chúng ta sẽ quan tâm đến việc mô tả hành vi tiệm cận của f và g khi x -> ∞.
Định nghĩa 2.5-1: Ta nói rằng f(x) là có cùng bậc lớn nhất với g(x), ký
hiệu là !(Q) ∈ U(V(Q)), nếu tồn tại các hằng số c và x0 sao cho: với mọi x≥ x0 và f(x) ≤c.g(x). Ta nói rằng f(x) có cùng bậc ít nhất với g(x), ký hiệu là !(Q) ∈ (V(Q)), nếu V(Q) ∈ U(!(Q)). Ta nói rằng f(x) và g(x) có cùng bậc, nghĩa là !(Q) ∈ W(V(Q)), nếu !(Q) ∈ U(V(Q)) và V(Q) ∈ U(!(Q)). Đôi khi ta cũng sử dụng ký hiệu f(x) ≈ g(x) để chỉ rằng f(x) và g(x) có cùng bậc.
Định nghĩa 2.5-2: Ta nói rằng f(x) là tiệm cận nhỏ hơn g(x), ký hiệu là
f(x) « g(x) nếu lim?→\](?)(?) = 0. Ta nói rằng f(x) là tiệm cận lớn hơn g(x), ký hiệu là f(x) » g(x), nếu g(x) « f(x).
Hình 2-4. Các ví dụ của chuyển động map-based: (a) mô hình Freeway và (b) Mô hình ManhaĴan
2.6. 2.6. 2.6.
2.6. Kết luậnKết luận Kết luậnKết luận
Trước khi giải quyết bài toán điều khiển tối ưu cấu hình, chúng ta cần phải đưa ra được mô hình phù hợp để mô hình hóa mạng ad hoc – sensor. Một mạng ad hoc – sensor phức tạp như mạng vô tuyến đa chặng sẽ cần phải được phân rã thành các mô hình nhỏ hơn, đơn giản để dễ dàng cho việc mô hình hóa. Để làm việc đó chương này đã giới thiệu những mô hình phù hợp nhất để giải quyết bài toán tối ưu cấu hình mạng. Các mô hình gồm: một mô hình kênh vô tuyến đơn, một mô hình mô tả toàn bộ các kênh vô tuyến trong mạng, một mô hình tiêu thụ năng lượng nút mạng, và một mô hình biễu diễn sự di chuyển của các node. Sang các chương tiếp theo, các mô hình trên đây sẽ được sử dụng trong các bài toán về điều khiển cấu hình mạng.
Chương 3
ĐIỀU KHIỂN CẤU HÌ ĐIỀU KHIỂN CẤU HÌ ĐIỀU KHIỂN CẤU HÌ
ĐIỀU KHIỂN CẤU HÌNHNHNHNH
Mở đầu Chương 3 trình bày một số ví dụ về hiệu quả thu được từ việc sử dụng các kỹ thuật điều khiển cấu hình trong mạng ad hoc sensor. Phần tiếp theo của chương đưa ra định nghĩa ban đầu không chính thức về điều khiển cấu hình và làm rõ điều khiển cấu hình là gì, cái gì thì không phải là điều khiển cấu hình. Sau khi thảo luận về nguyên tắc phân loại các phương pháp tiếp cận bài toán điều khiển cấu hình, phần kết thúc chương sẽ thảo luận về cách thức tích hợp cơ chế điều khiển cấu hình vào protocol stack.
3.1. 3.1. 3.1.
3.1. Điều khiển cấu hình và biến đổiĐiều khiển cấu hình và biến đổi năng lượngĐiều khiển cấu hình và biến đổiĐiều khiển cấu hình và biến đổi năng lượngnăng lượngnăng lượng
Như đã tóm tắt ở chương Chương 1, việc sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng quý hiếm sẵn có cho các nút mạng ad hoc và sensor là một trong những nhiệm vụ cơ bản của người thiết kế mạng. Bởi lẽ các nút tiêu thụ một lượng năng lượng đáng kể để phát/ nhận các thông điệp (điều này thật sự đúng trong trường hợp của mạng sensor), nên việc giảm năng lượng tiêu thụ của truyền sóng vô tuyến là một vấn đề quan trọng.
Giả sử nút u phải truyền dữ liệu đến nút v ở một khoảng cách d (xem Hình 3-1). Nút v nằm trong khoảng phát của nút u ở công suất cực đại vì thế có thể có sự truyền sóng vô tuyến trực tiếp giữa nút u và nút v. Tuy nhiên cũng tồn tại một nút w thuộc vùng C ngoại tiếp đường tròn đường kính d cắt cả u và v (xem Hình 3-1). Do δ(u,w)= ^< d và δ(v,w) = < d, nên việc sử dụng nút w để chuyển tiếp dữ liệu cũng có thể thực hiện được. Vậy phương án nào trong hai phương án trên thuận tiện hơn trong quan điểm giảm mức tiêu thụ năng lượng.
Để trả lời câu hỏi này, ta phải căn cứ vào các kênh không dây cụ thể và các mô hình tiêu thụ năng lượng. Để đơn giản hơn, giả thuyết sóng vô tuyến lan truyền theo mô hình không gian tự do và chúng ta chỉ quan tâm đến việc giảm thiểu công suất phát sóng mà thôi. Với những giả thuyết này, công suất cần dùng để truyền thông tin trực tiếp từ nút u đến nút v tỉ lệ với ; trong trường hợp thông tin được chuyển tiếp từ nút w, tổng mức tiêu thụ năng lượng sẽ tương ứng ^+ .
Xem xét tam giác uwv, và lấy γ làm góc đối diện cạnh uv, theo hình học sơ cấp, ta có:
= ^+ - 2^cosb (3.1) Vì w∈C hàm ý rằng cos γ≤0, ta có ≥ ^+ . Theo đấy, từ quan điểm tiêu thụ năng lượng, sẽ tốt hơn nếu dùng nhiều các chặng ngắn giữa máy phát và máy thu.
Quan sát trên tạo ra sự tranh luận đầu tiên về điều khiển cấu hình: thay vì dùng biên độ năng lượng dài, không hiệu quả, thông tin liên lạc có thể diễn ra theo các đường chuyền đa chặng được tạo thành từ các biên độ ngắn
Hình 3-1. Trường hợp truyền thông đa chặng: nút u phải truyền thông tin đến nút v ở một khoảng cách d; sử dụng nút trung gian w
để chuyển tiếp thông tin từ nút u được ưa thích hơn trong quan điểm tiêu thụ năng lượng.
nối hai điểm cuối của một biên độ dài. Mục đích của điều khiển cấu hình là xác định và loại bỏ các biên độ năng lượng dài, không hiệu quả từ graph thông tin
3.2. 3.2. 3.2.
3.2. Điều khiển cấu hình và dung lượng mạngĐiều khiển cấu hình và dung lượng mạng Điều khiển cấu hình và dung lượng mạngĐiều khiển cấu hình và dung lượng mạng
Trái ngược với trường hợp kênh truyền thông tin hữu tuyến điểm - điểm, truyền thông không dây sử dụng các phương tiện dùng chung: kênh vô tuyến. Việc sử dụng các phương tiện chia sẻ hàm ý rằng phải dành một sự quan tâm đặc biệt nhằm tránh việc truyền thông tin chồng chéo lên nhau trong cùng một thời điểm.
Một ví dụ điển hình về sư xung đột này được mô tả trong hình 3.2: nút u
đang truyền dữ liệu đến nút v sử dụng một công suất truyền cụ thể là P; cùng lúc ấy, nút w cũng đang truyền dữ liệu đến nút z cũng sử dụng một công suất truyền P. Vì δ(v,w) = < δ(v,u) = ^, công suất của tín hiệu giao thoa do nút v nhận thì cao hơn công suất của đường truyền dự tính từ nút
u,1 và việc thu dữ liệu truyền từ nút u bị gián đoạn.
1 Điều này đúng độc lập đối với mô hình tổn thất đường truyền tất định. Trong trường hợp mô hình tổn thất đường truyền xác suất, phát biểu này giữ tính trung lập
Hình 3-2. Xung đột truyền phát vô tuyến. Các hình tròn thể hiện khu vực phủ sóng vô tuyến với công suất truyền P.
Lưu ý rằng lượng giao thoa giữa việc truyền thông tin đồng thời liên quan chặt chẽ đến công suất dùng để truyền dữ liệu. Chúng ta làm rõ vấn đề này bằng một ví dụ. Giả thiết rằng nút u phải truyền thông tin đến nút v
đang gặp phải một tần số giao thoa mức độ I từ các sóng vô tuyến trùng lặp khác. Để đơn giản hơn, chúng ta xem I là mức công suất thu, và giả thiết rằng một dữ liệu truyền đến nút v chỉ có thể được nhận một cách chính xác chỉ khi cường độ sóng thu ít nhất bằng (1+η) I, η dương. Nếu công suất truyền P hiện tại do nút u sử dụng bằng công suất thu tại nút v thấp hơn
(1+η) I, chúng ta có thể điều chỉnh việc nhận thông tin bằng cách tăng công suất truyền tới một giá trị P’ > P để công suất thu tại nút v lớn hơn (1+η) I.
Điều này có vẻ chỉ ra rằng tăng công suất truyền là một lựa chọn tốt để tránh sự hao hụt thông tin do sự giao thoa. Mặt khác, việc tăng công suất truyền tại nút u tăng mức độ giao thoa tại các nút khác trong khu vực lân cận nút u. Vì thế xảy ra sự cân bằng giữa tầm nhìn cục bộ( u truyền dữ liệu đến v) và tầm nhìn hệ thống (giảm mức độ giao thoa trong toàn bộ hệ thống): ở trường hợp đầu yêu cầu công suất truyền cao trong khi ở trường hợp sau công suất truyền càng thấp càng tốt. Vì thế hình thành nên câu hỏi sau: làm thế nào để cài đặt công suất truyền nếu mục đích của người thiết kế là tối đa hóa công suất truyền tải của mạng.
Để trả lời câu hỏi này ta cần một mô hình giao thoa thích hợp. Có thể là mô hình đơn giản nhất sau đây mô hình Protocol được sử dụng [16] để đạt được giới hạn trên và dưới của mạng ad hoc. Trong mô hình này, dữ liệu truyền bởi nút u đến nút v được nhận chính xác nếu
δ(v,w)≥(1+η) δ(u,v) (3.2)
đối với bất kì nút w nào khác đang truyền thông tin đồng thời, khi η> 0
là hằng sốphụ thuộc vào các tính năng của máy thu không dây. Vì thế, khi một nút xác định đang nhận dữ liệu, tất cả các nút trong vùng giao thoa
(interference region) phải ở chế độ câm để nhận dữ liệu một cách chính xác. Vùng giao thoa là một vòng tròn bán kính (1+η) δ(u,v) (khoảng giao thoa – interference range) ở trung tâm của máy thu. Điều này có nghĩa khu vực vùng