Phân tích và đánh giá năng lượng tiêu thụ của nút cảm biến không dây với mạng hàng đợi M/M/1/K

Bài viết trình bày trong bài báo này là xây dựng mô hình, tính toán, phân tích và mô phỏng các tham số năng lượng tại một SN. Kết quả cho thấy tiêu phí năng lượng tại SN phụ thuộc vào thời gian phục vụ gói tin, số lượng gói tin, loại gói tin, tài nguyên bộ nhớ đệm và tốc độ của CPU tại SN.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Phân tích và đánh giá năng lượng tiêu thụ của nút cảm biến không dây với mạng hàng đợi M/M/1/K Nghiên cứu khoa học công nghệ PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ CỦA NÚT CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VỚI MẠNG HÀNG ĐỢI M/M/1/K Hoàng Văn Quang1*, Dư Đình Viên1, Nguyễn Hồng Vũ2, Hồ Khánh Lâm3 Tóm tắt: Mạng cảm biến không dây (WSN) được dùng rộng rãi trong thực tiễn, trong nhiều lĩnh vực. Một đặc điểm của WSN là năng lượng cung cấp bị hạn chế dẫn đến thời gian hoạt động của nút cảm biến (SN) ngắn. Khi WSN được ứng dụng trong điều kiện đặc biệt, vấn đề tiết kiệm năng lượng và đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) rất quan trọng. Đã có nhiều công trình nghiên cứu tập trung vào các giải pháp tiết kiệm năng lượng và đánh giá hiệu năng của WSN nhờ sử dụng mạng Petri, mạng hàng đợi và chuỗi Markov. Tuy nhiên, các nghiên cứu này chưa đi sâu xử lý tại SN. Nghiên cứu của chúng tôi trình bày trong bài báo này là xây dựng mô hình, tính toán, phân tích và mô phỏng các tham số năng lượng tại một SN. Kết quả cho thấy tiêu phí năng lượng tại SN phụ thuộc vào thời gian phục vụ gói tin, số lượng gói tin, loại gói tin, tài nguyên bộ nhớ đệm và tốc độ của CPU tại SN. Từ khóa: Mạng cảm biến không dây; Mạng hàng đợi; Hiệu năng mạng cảm biến không dây; Chuỗi Markov. 1. GIỚI THIỆU CHUNG Mạng cảm biến không dây (WSN) kết nối của nhiều nút cảm biến (SN) bằng môi trường truyền dẫn vô tuyến, SN gồm các thành phần chính: bộ xử lý, cảm biến, nguồn và bộ thu/phát vô tuyến. SN có các chức năng chính: thu thập dữ liệu, xử lý dữ liệu, truyền và nhận dữ liệu. Để làm được việc đó, các SN gửi dữ liệu đến nút Sink (còn gọi là điểm điều khiển hay giám sát) nhờ định tuyến theo cấu trúc đa liên kết kiểu kiến trúc không có cơ sở hạ tầng của WSN, tức là không có trạm thu/phát gốc hay trung tâm điều khiển [1]. Dữ liệu từ nút Sink được gửi tới Gateway [1] và đến người dùng qua mạng viễn thông. Số lượng nút Sink phụ thuộc vào số lượng SN, điều kiện môi trường và quy mô Đầu nối vào/ra của WSN. SN gửi dữ Digital I/O Analog I/O Đường dây lập trình liệu thu nhập qua các SN trung gian hay trực tiếp Đồng xử lý đến nút Sink và chuyển Cảm biến Vi điều kiển tiếp đến Gateway. SN có Bộ nhớ ngoài thể cố định hoặc di Điều khiển chuyển, sự di chuyển của công suất Tạo dao động SN làm thay đổi phân bố Nguồn nuôi truyền dẫn đồng hồ các SN và thay đổi hiệu năng của WSN. Như vậy, phụ thuộc vào trạng Thu/phát thái của các SN mà phân bố và cấu hình của WSN Hình 1. Cấu trúc chung của SN [1]. thay đổi, dẫn đến hiệu năng của WSN thay đổi. Khi WSN ứng dụng trong điều kiện đặc biệt như theo dõi sức khỏe, giám sát quân sự và an ninh, trong hầm lò hay dưới nước, v.v… với dữ liệu đa phương tiện thời gian thực thì tiêu phí năng lượng và QoS là các yếu tố quan trọng. Trong WSN đa phương tiện các SN là hệ nhúng với hai loại cảm biến, cảm biến môi trường và cảm biến đa phương tiện, do đó, SN phải xử lý hai loại tín hiệu đồng thời. Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 49, 06 - 2017 95  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Cấu trúc chung của SN được chỉ ra ở hình 1. SN hoạt động theo hai chế độ, chế độ tích cực và chế độ nghỉ. Chế độ nghỉ, một số khối của SN như vi xử lý, bộ nhớ, khối thu/phát sóng vô tuyến có thể không hoạt động, SN không tương tác với bên ngoài, nên chế độ này tiêu phí năng lượng ít. Chế độ tích cực, SN làm việc đầy đủ các khối chức năng nên tiêu thụ năng lượng nhiều hơn. Nguồn cung cấp cho SN là pin hay acquy nên hạn chế về công suất và thời gian sống, mặt khác trong thực tế nguồn cung cấp này rất khó hoặc không thể thay thế. Trong [2], bảng 1 và bảng 2 cho ví dụ so sánh về tiêu thụ năng lượng của các bộ phận trong SN và tiêu thụ dòng của một số loại cảm biến. Bảng 1 chỉ rõ ngoài bộ xử lý và truyền sóng thì bộ nhớ đệm cũng là nhân tố tiêu thụ năng lượng đáng kể. Bảng 2 so sánh tiêu thụ dòng của một số loại cảm biến, đối tượng cảm biến khác nhau thì mức tiêu thụ dòng cũng khác nhau. Bảng 1. Tiêu thụ năng lượng của SN [2]. Bảng 2. Tiêu thụ dòng của một số cảm biến [2]. Chế độ Chế độ nghỉ Điện áp Thời gian Dòng tích cực yêu cầu lấy mẫu Bộ xử 16.5 mW 30uW Cảm biến nhiệt độ 1 mA 2.5-5.5V 400 ms lý Cảm biến độ ẩm 550 uA 2.4-5.5V 300 ms Truyền 21 mW (Tx), Cảm biến từ trường 4 mA Any 30 us 0 uW sóng 15 mW(Rx) Cảm biến khói 5 uA 2-10 V -- Bộ nhớ 45 mW 30 uW Cảm biến áp suất 1 mA 2.2 – 3.6 V 35 ms đệm Cảm biến âm thanh 0.5 mA 2-10V 1 ms Trong [3], lý thuyết hàng đợi được sử dụng để mô hình hóa và phân tích hiệu năng của các hệ thống truyền thông. Trong [4], dùng mạng các hàng đợi kiểu M/M/1/N để xét năng lượng giới hạn theo độ dài của hàng đợi N. Khi vượt quá N thì SN bị nghẽn tương ứng với trạng thái khóa của hàng đợi. Để khắc phục trạng thái này, [4] đưa vào các nút lưu giữ và các thuật toán lặp xấp xỉ dẫn đến sự tiêu thụ năng lượng thấp hơn. Trong [5], sử dụng hàng đợi M/M/1 để phân tích lưu lượng đa phương tiện ở SN trong WSN trên cơ sở các thông số hiệu năng của hàng đợi, bao gồm: Thời gian phụ ...