Các kỹ thuật phân nhóm trong các mạng cảm biến vô tuyến

Trong những năm gần đây, rất nhiều mạng cảm biến vô tuyến đã và đang được phát triển và triển khai cho nhiều các ứng dụng khác nhau như: theo dõi sự thay đổi của môi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hoá học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, theo dấu và giám sát các bác sỹ, bệnh nhân cũng như quản lý thuốc trong các bệnh viên, phát hiện và theo dấu các phương tiện xe...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Các kỹ thuật phân nhóm trong các mạng cảm biến vô tuyến Các kỹ thuật phân nhóm trong các mạng cảm biến vô tuyến TS. Lê Nhật Thăng, TS. Nguyễn Quý Sỹ 1. Giới thiệu chung Trong những năm gần đây, rất nhiều mạng cảm biến vô tuyến đã và đang được phát triển và triển khai cho nhiều các ứng dụng khác nhau như: theo dõi sự thay đổi của môi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hoá học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, theo dấu và giám sát các bác sỹ, bệnh nhân cũng như quản lý thuốc trong các bệnh viên, phát hiện và theo dấu các phương tiện xe cộ… Một mạng cảm biến vô tuyến diện rộng bao gồm nhiều nút cảm biến nhỏ có giá thành thấp, và tiêu thụ năng lượng ít. Thông qua các kết nối vô tuyến, số liệu thu thập được từ các nút cảm biến sẽ được gửi đến một trạm gốc gần nhất, rồi sau đó, các số liệu này lại được chuyển tới các trung tâm xử lý dữ liệu cho các bước phân tích tiếp theo. Một trong những yếu điểm hạn chế liên quan đến thời gian tồn tại của các mạng cảm biến không dây chính là những nguồn năng lượng giới hạn phục vụ cho hoạt động của các nút cảm biến được triển khai trong mạng. Để đạt được hiệu quả sử dụng năng lượng cao và duy trì thời gian hoạt động lâu dài của mạng, các nút cảm biến thường được tổ chức phân bậc bằng cách gộp chúng lại thành các nhóm riêng biệt mà ở đó số liệu được thu thập và xử lý nội bộ tại các nút chính (cluster head nodes) trước khi chúng được gửi về một trạm gốc nào đó. Cấu trúc của mạng cảm biến không dây có phân nhóm được minh họa ở hình vẽ dưới đây. Base station (( )Cluster-head ) ( ( )) ( ( )) ( ( )) Cluster-head Cluster ( ( )) ( ( )) Cluster-head ( ( )) ( ( )) (( )) Cluster Cluster (( )) Sensor Hình 1: Cấu trúc mạng cảm biến không dây phân nhóm Như vậy, việc phân nhóm hình thành nên một cấu trúc phân cấp 2 mức mà ở đó các nút chính hình thành nên một bậc cao còn các nút thành viên của nhóm thuộc về một bậc thấp hơn. Lưu ý rằng, các nút trong một nhóm không truyền số liệu mà chúng thu thập được về trực tiếp trạm gốc mà phải thông qua nút chính của nhóm. Nút chính có nhiệm vụ: • Điều phối hoạt động giữa các nút trong nhóm và thu thập số liệu của các nút (Vì các nút có thể tạo ra các số liệu trùng lặp và thừa. Số liệu giống nhau từ nhiều nút có thể được tập hợp lại, sắp xếp, lọc loại bỏ số liệu thừa trùng lặp với mục đích giảm số lần truyền dẫn). 1 • Truyền trực tiếp các số liệu đã được tập hợp, tinh lọc về trạm gốc hoặc thông qua truyền dẫn nhiều chặng (multi-hop) nghĩa là qua các nút chính khác. Trên thực tế, thông tin trao đổi giữa các nút trong một nhóm cũng như giữa các nhóm khác nhau có thể được tổ chức như là một sự kết hợp giữa trao đổi thông tin một chặng (one-hop) và nhiều chặng. Ở trao đổi thông tin bằng một chặng, tất cả các nút cảm biến đều có thể trực tiếp truyền số liệu về đích, trong khi đó ở trao đổi thông tin qua nhiều chặng, các nút có phạm vi truyền dẫn hạn chế và do đó buộc phải định tuyến việc truyền số liệu của chúng qua một số chặng cho đến khi số liệu được truyền tới đích. Trong cả hai phương thức, có một vấn đề không thể tránh được đó là sự phân bố năng lượng tiêu thụ không đều giữa các nút. Điều này dẫn đến tình trạng một số nút bị mất năng lượng với tốc độ cao hơn, nhanh bị dừng hoạt động hơn một số nút khác và có thể làm giảm phạm vi cảm biến và chia cắt mạng. Đối với trao đổi thông tin một chặng, các nút xa trạm gốc thường là những nút ở trong tình trạng nguy cấp nhất do thiếu năng lượng hoạt động, trong khi ở trao đổi thông tin nhiều chặng, các nút gần trạm gốc nhất thường phải gánh chịu nhiều lưu lượng tải và thường bị dừng hoạt động trước tiên (đây là một vấn đề khá nguy hiểm và nghiêm trọng – “hot spot”). Các mạng cảm biến có phân nhóm có thể được phân chia thành các mạng không đồng nhất và các mạng đồng nhất tương ứng với kiểu và chức năng của các nút trong mạng. Với mạng đồng nhất, tất cả các nút đều có các khả năng xử lý và cấu trúc phần cứng như nhau. Vai trò của nút chính được hoán chuyển ...