Giải pháp định tuyến thích nghi năng lượng trong mạng cảm biến không dây

Nội dung text: Giải pháp định tuyến thích nghi năng lượng trong mạng cảm biến không dây

1. T¹p chÝ KHKT Má - §Þa chÊt, sè 53, 01/2015, tr.53-57 CƠ - ĐIỆN MỎ (trang 53-57) GIẢI PHÁP ĐỊNH TUYẾN THÍCH NGHI NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ĐỖ XUÂN THIỆU, Trường Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội Tóm tắt: Mạng cảm biến không dây có đặc thù là có thể gửi và nhận thông tin trong các điều kiện địa hình khác nhau. Nguồn cung cấp cho các nút cảm biến ở các điều kiện khác nhau, có thể được thực hiện bằng các dạng nguồn khác nhau, như nguồn ắc quy, pin, pin mặt trời, nguồn chỉnh lưu dòng điện xoay chiều, Vấn đề định tuyến trong mạng, kết nối thông tin giữa các nút và trung tâm trong các mạng như vậy cần phối hợp đồng bộ giữa các nguồn, đảm bảo độ tin cậy và kéo dài thời gian sống của mạng là rất cần thiết. Bài báo này đưa ra một giải pháp định tuyến, tính đến đặc tính năng lượng nguồn cung cấp trong các nút mạng. Bằng cách tính toán hàm giá phụ thuộc khoảng cách giữa các nút, độ dốc năng lượng và công suất phát tại nút gốc, giao thức định tuyến sẽ lựa chọn được con đường tối ưu theo hàm giá thấp nhất để truyền dữ liệu. Kết hợp việc xác định năng lượng còn lại trên mỗi nút và hàm giá, giải pháp định tuyến này sẽ đảm bảo định tuyến tối ưu theo sự nhận thức về năng lượng, đồng thời thích hợp với mạng có các nút mạng được cấp với các loại nguồn khác nhau. 1. Đặt vấn đề năng mở rộng. Trong dạng này, các nút mạng Mạng cảm biến không dây được ứng dụng được sắp xếp vào các cụm (cluster), trong đó một rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: giám sát kết nút có năng lượng lớn nhất đóng vai trò nút chủ cấu của công trình (cầu, tòa nhà ), theo dõi cuộc (cluster head). Nút chủ có trách nhiệm phối hợp sống của các loài thú hoang dã, theo dõi điều các hoạt động giữa các nút trong cụm và chuyển khiển môi trường chuồng trại; cảnh báo cháy thông tin giữa các cụm. Việc phân hoạch này rừng, phát hiện rò rỉ hóa chất trong các nhà máy, giảm được năng lượng tiêu thụ và kéo dài thời giám sát các tòa nhà thông minh Một nút cảm gian sống của mạng. Dạng thứ ba dùng phương biến thông thường bao gồm các thành phần sau: pháp hướng dữ liệu (data-centric) để phân bổ yêu bộ vi xử lý nhỏ và sử dụng năng lượng ít (low cầu trong mạng. Phương pháp này dựa trên thuộc power processor), bộ nhớ (Memory), Radio để tính, ở đó một nút nguồn truy vấn đến một thuộc truyền dữ liệu không dây, nguồn điện (power tính của hiện tượng nào đó hơn là một nút cảm source) và các bộ cảm biến (sensors) [1]. biến riêng biệt. Việc phân tán yêu cầu thực hiện Thiết kế các giao thức định tuyến của mạng bằng cách phân nhiệm vụ cho các nút cảm biến cảm biến không dây phải xem xét đến công suất và định rõ một thuộc tính riêng biệt cho các nút. và tài nguyên hạn chế của các nút mạng, đặc tính Dạng thứ tư dùng vị trí để chỉ ra một nút cảm thay đổi theo thời gian của kênh truyền vô tuyến biến. Định tuyến dựa trên vị trí rất hữu ích cho và khả năng trễ hay mất gói. Nhiều giao thức các ứng dụng mà vị trí của nút trong một vùng định tuyến đã được đưa ra. Dạng thứ nhất là giao địa lý có thể được hỏi bởi nút nguồn. Yêu cầu thức dành cho kiến trúc mạng phẳng trong đó tất như thế có thể định rõ vùng nào đó mà các hiện cả các nút xem như cùng cấp. Kiến trúc phẳng có tượng quan tâm có thể xảy ra hay lân cận với nhiều lợi ích như tối thiểu phần đầu khung điểm đặc biệt nào đó trong vùng hoạt động của (overhead) để xây dựng hạ tầng mạng và có khả mạng. năng tìm ra nhiều đường liên lạc giữa các nút với Giao thức cây thu thập dữ liệu CTP sai số cho phép. Dạng thứ hai dùng trong mạng (Collection Tree Protocol) được xây dựng dựa có cấu trúc tiết kiệm năng lượng, ổn định và khả trên phương pháp tiếp cận định tuyến phẳng, tự 53
2. tổ chức. Giao thức CTP cho phép truyền thông năng của toàn bộ hệ thống mạng. Đây là một hiệu quả từ các nút mạng trong trường cảm biến trong những thách thức quan trọng trong các đến một trong các nút gốc [3]. mạng cảm biến không dây hoạt động bằng pin. Giao thức CTP thực thi cơ chế thu thập dữ Vấn đề đặt ra khi thiết kế tối ưu cho giao liệu tin cậy từng bước nhảy [2]. Các nút tự tổ thức định tuyến: chức thành một cấu trúc dạng cây và dữ liệu luôn Thứ nhất, cần phải xác định được năng được gửi về nút cha (parent) cho tới khi đến được lượng còn lại trên mỗi nút cảm biến. Cách xác đỉnh của cây (nút gốc). Nút gốc được gán là đỉnh định năng lượng còn lại trên mỗi nút cảm biến của cây và tất cả các nút khác được khởi tạo là cần thực hiện bằng phần mềm tính toán và được các nút lá. Các nút sẽ cập nhật vị trí của nó trong triển khai trên nhiều kiến trúc phần cứng khác cây và quá trình này được mở rộng dần ra với nhau. điểm xuất phát ban đầu là từ nút gốc. Dữ liệu Thứ hai, cần phải đưa ra một thước đo năng được gửi qua một cấu trúc cây đến nút gốc. lượng dựa trên thông tin về năng lượng còn lại Trong giao thức CTP, thước đo định tuyến được trên mỗi nút cảm biến và đặc trưng của từng loại sử dụng là số lần truyền kỳ vọng-ETX (Expected nguồn cấp thông qua những tính toán thống kê Transmission). Thước đo chất lượng liên kết của về thời gian sống của nguồn. Thước đo định một tuyến đường – rtmetric (route metric) được tuyến phản ánh đúng các trạng thái năng lượng xác định bằng tổng ETX của tất cả các liên kết còn lại trên mỗi nút cảm biến, thích nghi với các trên toàn tuyến đường đó. Vị trí của các nút trong loại nguồn cấp khác nhau. Thước đo định tuyến cây được xác định bởi thước đo tuyến đường này được phát quảng bá cho các nút lân cận rtmetric. Nút gốc ở đỉnh cây có giá trị rtmetric = thông qua các bản tin điều khiển và được cập 0. Các nút lá sẽ có giá trị rtmetric càng lớn khi nhật thường xuyên trong bảng định tuyến của các càng xa nút gốc. Tuyến đường có giá trị rtmetric nút lân cận. càng lớn thì chất lượng các liên kết thuộc tuyến Thứ ba, tuyến đường tối ưu được lựa chọn đường càng thấp. Tuyến đường tốt nhất là tuyến trong giao thức phải thỏa mãn các tiêu chí của đường có rtmetric nhỏ nhất. Đây là tuyến đường việc định tuyến trong mạng cảm biến không có tổng số lần truyền kỳ vọng ETX đến nút gốc dây đó là tuyến đường lựa chọn phải có tỷ lệ là nhỏ nhất và cũng là tuyến đường hiệu quả về chuyển phát bản tin dữ liệu thành công đến nút mặt năng lượng nhất. gốc ở mức cao và đây cũng là tuyến đường hiệu Giao thức CTP đã được coi là một giao quả nhất về mặt năng lượng. thức thu thập dữ liệu đạt hiệu quả cao về mặt Định tuyến có sự nhận thức về năng lượng năng lượng tiêu thụ cũng như tỷ lệ chuyển phát [1], [4] tại các nút mạng đã là giải pháp không thành công bản tin dữ liệu trong mạng. Các kết mới, nhưng thông thường chỉ áp dụng cho các quả đánh giá cho thấy giao thức CTP đạt được 4 nút có cùng một loại nguồn cung cấp. Các loại mục tiêu chính đó là: độ tin cậy cao, khả năng nguồn khác nhau sẽ có dung lượng nguồn khác chống lỗi tốt, hiệu quả về năng lượng và độc lập nhau, tuổi thọ khác nhau nên nhận thức về năng với nhiều kiến trúc phần cứng khác nhau. lượng cần phải biết thêm về chu trình sống của Tuy nhiên giao thức CTP hiện tại không có nguồn. sự nhận thức về mức năng lượng còn lại trên các Như vậy giải pháp định tuyến đề xuất trong nút mạng. Giao thức CTP chỉ dựa vào thước đo bài báo này sẽ hướng tới xác định năng lượng định tuyến ETX để lựa chọn tuyến đường tối ưu. còn lại và độ dốc năng lượng của nguồn cung cấp Thước đo định tuyến ETX không giải quyết được đảm bảo độ tin cậy, kéo dài thời gian sống và vấn đề năng lượng giữa các nút mạng. Bởi vậy, thích nghi với các loại nguồn cung cấp khác nhau giao thức dễ bị mất cân bằng năng lượng. Các nút cho các nút mạng. mạng thuộc tuyến đường tối ưu phải thực hiện 2. Định tuyến thích nghi trên cơ sở nhận thức nhiều việc truyền dẫn hơn các nút khác. Vậy nên về năng lượng tại các nút mạng chúng sẽ hết năng lượng nhanh hơn các nút khác Năng lượng là vấn đề quan trọng trong các và tạo ra các lỗ hổng trong mạng, làm giảm hiệu mạng cảm biến không dây. Nếu năng lượng tiêu 54
3. thụ trên các nút cảm biến có thể ước lượng được ngưỡng cho trước). Trạng thái năng lượng còn lại thì các giao thức định tuyến có thể lựa chọn các ES của mỗi nút cần phải được gửi thường xuyên tuyến đường tối ưu dựa vào thông tin năng lượng cho các nút lân cận để các nút lân cận biết và cập còn lại trên mỗi nút cảm biến nhằm tăng độ tin cậy nhật lại trạng thái năng lượng ES trong bảng định truyền tin và thời gian sống của toàn mạng lên. tuyến. 2.1. Thước đo chỉ số năng lượng còn lại EI 2.2. Thước đo năng lượng thích nghi Giả sử rằng các nút ban đầu được tích trữ đầy Sườn dốc năng lượng thích nghi được đánh năng lượng và chỉ số năng lượng còn lại (EI- giá bằng hàm giá trong ma trận năng lượng Energy Indicator) của mỗi nút đều là 100%. Chỉ giữa các nút [1]. Hàm giá của mỗi liên kết giữa số năng lượng còn lại trên mỗi nút cảm biến tại hai nút tỷ lệ thuận với khoảng cách Dij, tỷ lệ một thời điểm bất kỳ t có thế được tính bẳng công nghịch với độ dốc năng lượng trong một chu thức sau [4]: trình sống của nguồn: residualenergy_ 11 ExI(%)100% (1) CDijij  (3) Eo SP0in trong đó: trong đó, Pin là công suất phát tín hiệu tại residual_energy: là năng lượng còn lại trên nguồn (nút gốc) và: nút cảm biến. Năng lượng còn lại tại thời điểm t E S 0 (4) bất kỳ của nút cảm biến được xác định bởi công 0 t thức: m với: E là năng lượng nguồn ban đầu (năng lượng residual_energy=E – consumption_ energy (2) 0 0 đầy) và t là thời gian sống của nguồn. Các giá trong đó: consumption_ energy là năng lượng m tiêu thụ trên nút cảm biến tại thời điểm t. Năng trị và  được chọn để có thể thực hiện được lượng tiêu thụ trên nút cảm biến được xác định giao thức. Hàm giá ngoài phụ thuộc vào công theo mô hình năng lượng tuyến tính. suất phát tại nút gốc, khoảng cách giữa hai nút E : Là năng lượng ban đầu của nút cảm biến. định tuyến còn phụ thuộc vào độ dốc năng lượng 0 của một chu trình sống của nguồn cung cấp. Với Bảng 1.1. các trạng thái năng lượng của nút các nguồn cấp khác nhau, sườn dốc năng lượng cảm biến khác nhau sẽ có hàm giá khác nhau. Như vậy, Trạng định tuyến trên cơ sở hàm giá sẽ thích nghi với Ngưỡng thái năng Chỉ số EI Mô tả từng loại nguồn trong mạng. chỉ số EI lượng Định tuyến thích nghi năng lượng, trên cơ sở Nhiều năng định tuyến theo cây thu thập số liệu CTP, có sự 0 30%-100% 30% lượng nhận thức về năng lượng và bổ sung thêm tham số thích nghi năng lượng, mang thông tin về dạng Thiếu hụt 1 10%-30% 10% nguồn cung cấp khác nhau. năng lượng 3. Mô phỏng định tuyến Thiếu nhiều Mô phỏng định tuyến nhận thức theo năng 2 5%-10% 5% năng lượng lượng được thực hiện bằng phần mềm Prowler Hết năng trong môi trường Matlab. Trong mô phỏng, lớp 3 0-5% 0 lượng MAC được tách ra bằng cách truyền trực tiếp các gói từ lớp truyền của một nút tới lớp truyền của Bảng 1.1 minh họa các trạng thái năng lượng các nút lân cận. Từ đó có thể đánh giá được của nút. Bốn trạng thái thước đo năng lượng và những thuận lợi của một phương pháp định tuyến trạng thái năng lượng còn lại ES (Energy States) một cách độc lập trong lớp MAC. Tuy nhiên, được sử dụng làm thước đo định tuyến. Nút cha đánh giá đầy đủ giao thức cũng cần phải có thực được lựa chọn để chuyển tiếp bản tin dữ liệu phải hiện thực tế của lớp MAC. Mô phỏng thực hiện có trạng thái năng lượng còn lại ở mức cao (chỉ với các nút sử dụng một số loại nguồn có dung số năng lượng còn lại EI lớn hơn hoặc bằng một lượng và tuổi thọ khác nhau. 55
4. Thông tin được phát đi từ một nút, nút nào Đồ thị hình 2 hiển thị các tham số kênh radio nhận được đầu tiên sẽ là các nút cha chuyển tiếp (radio chanel) với công suất phát tín hiệu (Signal các gói tin tới tất cả các nút còn lại. Mỗi nút con power) chuẩn hóa (P-trans=1), cho biết các mức hiển thị chỉ số của nút cha và chặng hop (nút cha công suất nhận theo khoảng cách truyền trong /hop): các LED màu đỏ cho các hop 1, 2, màu môi trường lý tưởng P_rec_id [1], [2]:  xanh 3, 5 (hình 1). Theo kết quả mô phỏng với P_rec_id=Ptrans*f(x) với f(x)=1/(1+x. 2 (6) số nút mạng 5x5 đặt theo ma trận, xuất phát từ và khi có Fadinh P_rec: nút gốc, nút cha nút số 1. Các nút cha tiếp theo P_rec= P_rec_id*(1+alpha(x))*(1+beta(t)) (7) có năng lượng còn lại lớn nhất và hàm giá thấp trong đó alpha, beta là các biến ngẫu nhiên phân nhất nút số 7 có tọa độ (4,2), định tuyến theo bố chuẩn N(0,s). các nhánh tiếp tạo thành dạng cây. Các công suất tín hiệu này được chuẩn hóa và tính toán mặc định trong phần mềm Prowler. Hình 1. Kết quả mô phỏng định tuyến cấu trúc cây thích nghi năng lượng Mô hình truyền radio xác định độ lớn của Hình 3. Năng lượng còn lại theo thời gian tín hiệu từ một nút tới tất cả các điểm thu của của hai nút A và B hệ thống. Độ lớn của tín hiệu cùng với độ nhạy Chỉ số năng lượng còn lại và mức tiêu thụ của điểm thu sẽ quyết định điều kiện nhận các năng lượng sẽ quyết định tuyến đường riêng cho gói tín hiệu. Độ lớn tín hiệu phát theo công suất giao thức. Trong giao thức định tuyến, năng lượng còn lại (energy reserve) của các nút sẽ xác Pt và công suất nơi nhận Pr, xác định theo hàm truyền đánh giá sự suy giảm tín hiệu theo định tuyến thông thường và tuyến tối ưu phụ cho khoảng cách D và nhiễu ngẫu nhiên (theo công các nút, cả hai sẽ được lựa chọn trong các đường thức Pister-Hack) [2]. dẫn tốt trong lớp định tuyến [1]. Hình 3 biểu diễn 1 năng lượng còn lại theo thời gian của hai nút A PPrand[0 40]dBmrt v (5) và B được lựa chọn, trong đó nút A trong đường 1D dẫn thông thường và nút B là nút trong đường dẫn tối ưu phụ. Quá trình định tuyến cũng sẽ loại bỏ ngay lập tức các nút đơn lẻ có tiêu hao năng lượng lớn [1]. Trên hình 4, nút D tiêu hao năng lượng nhanh sẽ bị loại bỏ. Mô hình định tuyến sẽ được cập nhật thông tin liên tục 10s một. Các đồ thị hiển thị trên hình 3 và hình 4 biểu diễn năng lượng còn lại theo thời gian của các nút cảm biến với mục đích lựa chọn đường dẫn tối ưu phụ (hình 3) và loại bỏ các nút có năng lượng suy giảm nhanh (hình 4) là giải pháp chung cho tất cả các giao thức định tuyến có nhận Hình 2. Các tham số kênh radio thức về năng lượng [1]. 56
5. đó có thể kết hợp nhiều loại nguồn cung cấp. Giao thức này được triển khai phát triển ứng dụng cho mạng cảm biến không dây trong hệ thống giám sát điều khiển môi trường chăn nuôi [5] cho đề tài mã số 01C-07/04-2013-2, trang trại của Hợp tác xã với nhiều hộ có điều kiện kinh tế khác nhau, sử dụng thiết bị mạng với một số loại nguồn có dung lượng và tuổi thọ khác nhau. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Anna Ha’c, Wireless Sensor Network Designs, University of Hawaii at Manoa, Honolulu, USA, John Wiley & Sons Ltd, 2003. Hình 4. Nút có tiêu hao năng lượng lớn [2]. A. V. Sutagundar*, S. S. Manvi , bị loại bỏ Kirankumar. B. Balavalad*. Energy Efficient Bằng cách xác định năng lượng nguồn cấp ở Multipath Routing Protocol for WMSN’s. các thời điểm định tuyến trên các nút mạng thông International Journal of Computer and Electrical qua chỉ số năng lượng còn lại và hàm giá thích Engineering, Vol. 2, No. 3, June, 2010 1793-8163 nghi nguồn năng lượng, giải pháp định tuyến mới [3]. Dixit Sharma. Evaluating and improving đã lựa chọn được sơ đồ định tuyến tối ưu dạng collection tree protocol in mobible wireless cây qua kết quả mô phỏng hình 1. sensor networck. University of Ontario Institute 4. Kết luận of Technology (UOIT)Oshawa, Ontario, Giao thức định tuyến thích nghi năng lượng Canada, July, 2011. có nhận thức về năng lượng, trong đó có lựa chọn [4]. Ming Liu, Jiannong Cao, Guihai Chen and tuyến đường theo sườn dốc năng lượng nguồn Xiaomin Wang, An Energy-Aware Routing Protocol cấp đảm bảo sự cân bằng năng lượng, đồng bộ in Wireless Sensor, Sensors 2009, 9, 445-462. giữa các loại nguồn khác nhau. Như vậy, với việc [5]. Đỗ Xuân Thiệu, Ngô Hoàng Huy, Nguyễn kết hợp nhận thức về năng lượng còn lại trên mỗi Trịnh Nguyên, Nguyễn Đức Hải, Nguyễn Tu nút và độ dốc năng lượng của nguồn cấp, mạng Trung. Xây dựng mô hình trang trại chăn nuôi gia cảm không dây sẽ lựa chọn được tuyến đường súc thông minh dựa trên kiến trúc hướng dịch vụ dẫn tối ưu về năng lượng, nâng cao được độ tin và mạng cảm biến không dây. Hội nghị KH&CN cậy và kéo dài được thời gian sống của mạng. toàn quốc lần thứ VII, FAIR, nghiên cứu cơ bản Giao thức định tuyến thích nghi năng lượng có và ứng dụng công nghệ thông tin. ISBN: 978-609- thể được ứng dụng cho các mạng diện rộng, trong 913-300-8, trang 765-774, tháng 06/ 2014. ABSTRACT Adaptive Energy Routing Solution in Wireless Sensor Network Do Xuan Thieu, University of Transport and Communications Wireless sensor networks have characteristics that can send and receive information in different terrain conditions. Power supply for sensor nodes in different conditions, can be performed by different types of sources, such as battery power, batteries, solar cells, power alternating current rectifiers, The issue of network routing, connection information between nodes and hub for such networks need coordination between resources, ensuring reliability and extending the lifetime of the network is essential. This paper gives a routing solution, taking into account the characteristics of the energy supply network nodes. By calculating the cost function depends gap between the nodes, energy supply-slope and energy generation capacity at the root node, routing protocol selects the optimal path according to the lowest cost function for data transmission. Combining the determination of the energy reserve on each node and cost function, routing solution will ensure optimal routing according to energy awareness, and appropriate to the network with network nodes are provided with the different energy supply types of sources. 57