tổng quan về mạng cảm ứng không dây Wireless Sensor Netwơrk-WSN

Tài liệu tham khảo chuyên ngành tin học tổng quan về mạng cảm ứng không dây Wireless Sensor Netwơrk-WSN

nhận được sự động viên, giúp đỡ tận tình của PGS.TS Vương Đạo Vy Em xin chân thành cảm ơn thầy và bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Bộ môn Điện Tử Viễn Thông -Khoa Vật Lý-Trường Đại Học Khoa Học đã dạy bảo em trong suốt 5 năm học đại học, để em có được những kiến thức như ngày hôm nay và cụ thể là qua kết quả đồ

án đã phần nào thể hiện điều này.

Ngoài ra, trong quá trình làm đồ án xa nhà , em cũng được

sự trợ giúp, động viên hết sức to lớn về mặt vật chất cũng như tinh thần từ gia đình, người thân và bạn bè

Em xin chân thành cảm ơn.

Huế, ngày 28 tháng 0 4 năm 2009

Người thực hiện đồ án

Nguyễn Duy Thanh

LỜI NÓI ĐẦU

Nhờ có những tiến bộ trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến trong nhữngnăm gần đây, mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Netwơrk-WSN) với giáthành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng nên rất được chú ý trong lĩnh vựcthông tin Hiện nay, người ta đang tập trung triển khai các mạng cảm ứng khôngdây để áp dụng vào trong cuộc sống hàng ngày Mạng cảm ứng được ứng dụng rấtnhiều trong đời sống hàng ngày, y tế, kinh doanh…Tuy nhiên, mạng cảm ứngkhông dây đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức, một trong những thách thứclớn nhất trong mạng cảm ứng không dây là nguồn năng lượng bị giới hạn, rấtnhiều nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệu quảnăng lượng trong từng lĩnh vực khác nhau Trong tương lai các ứng dụng củamạng cảm ứng không dây sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống.Trong đồ án này sẽ giới thiệu một cách tổng quan về mạng cảm ứng khôngdây, các giao thức định tuyến phổ biến, đồng thời sử dụng phần mềm để mô phỏng

và đánh giá 3 giao thức cơ bản trong mạng cảm biến không dây Đó là các giaothức LEACH, LEACH-C, STAT_CLUSTER

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN

I.1 Giới thiệu

Mạng cảm biến không dây là một trong những công nghệ thông tin mớiphát triển nhanh chóng nhất, với nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: điều khiểnquá trình công nghiệp, bảo mật và giám sát, cảm biến môi trường, kiểm tra sứckhỏe…

Hình 1.1: Biểu tượng của mạng như mô hình trên

Mạng cảm biến không dây WSN là mạng liên kết các node với nhau nhờsóng radio Nhưng trong đó, mỗi node mạng bao gồm đầy đủ các chức năng đểcảm nhận, thu thập, xử lý và truyền dữ liệu Các node mạng thường là các thiết bịđơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp ,…và có số lượng lớn, được phân bố không có

hệ thống trên phạm vi rộng, sử dụng nguồn năng lượng (pin) hạn chế thời gianhoạt động lâu dài

Các mạng vô tuyến khác bao gồm mạng cellular, mạng WLAN, và mạngphạm vi ở nhà (Bluetooth) Các gói chuyển từ mạng này qua mạng khác sẽ được

hỗ trợ internet không dây Mạng cellular đích đến là tại những người sử dụng vớitính di động cao Tốc độ dữ liệu cho tính di động tại mức này bị giới hạn do dịchtần Doppler Mặt khác, WLAN có tốc độ dữ liệu cao Bluetooth và Home RF đíchđến là tại nhà Tốc độ dữ liệu mong muốn có dải radio thấp hơn và ngắn hơnnhiều, tính di động cũng thấp

WSN khác với các mạng trên Nó có 1 số lượng lớn các node Khoảng cáchgiữa các node neighbor là ngắn hơn so với các mạng trên Do WSN hoàn toàn chỉ

là các node, chi phí cho mỗi node là ít Mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn nhiều,

bởi vì việc thay thế pin của mỗi node thậm chí 1 tháng 1 lần sẽ rất vất vả Tốc độ

dữ liệu và tính di động trong WSN cũng thấp hơn

Các nhà nghiên cứu ở Berkeley đã phát triển các thiết bị mạng cảm nhậnkhông dây, gọi là các hạt bụi “motes”, nó được tạo thành một cách công khai, sẵnsàng để thương mại hóa, cùng với TinyOS một hệ điều hành kết nối nhúng để cóthể dễ dàng sử dụng thiết bị này Hình dưới minh họa 1 thiết bị “mote”củaBerkeley Sự tiện ích của các thiết bị này cũng như một chương trình dễ sử dụng,hoạt động đầy đủ, với giá tương đối rẻ, cho các thí nghiệm và triển khai thực tế đãmang lại một vai trò đầy đủ trong cuộc cách mạng vàng của mạng cảm nhận khôngdây

Hình 1.2: Thiết bị “mote” của Berkeley

I.2 Cấu trúc mạng WSN

I.2.1 Cấu trúc 1 node mạng WSN

Để xây dựng mạng cảm biến trước hết phải chế tạo và phát triển các nútcấu thành mạng nút cảm biến Các nút này phải thỏa mãn một số yêu cầu nhất địnhtùy theo ứng dụng: Chúng phải có kích thước nhỏ, giá thành rẻ, hoạt động hiệu quả

về năng lượng, có các thiết bị cảm biến chính xác có thể cảm nhận, thu thập cácthông số môi trường, có khả năng tính toán và có bộ nhớ đủ để lưu trữ, và phải cókhả năng thu phát sóng để truyền thông với các nút lân cận Mỗi nút cảm ứngđược cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản, như ở hình 3, bộ cảm nhận (sensing unit),

bộ xử lý (a processing unit), bộ thu phát (a transceiver unit) và bộ nguồn (a power

unit) Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứngdụng như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (powergenerator) và bộ phận di động (mobilizer)

Hình 1.3: Các thành phần của một nút cảm ứng.

Các bộ phận cảm ứng (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổitương tự-số (ADC – Analog to Digital Converter) Dựa trên những hiện tượngquan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi sensor được chuyển sang tín hiệu sốbằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý

Bộ xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyết địnhcác thủ tục cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định sẵn

Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng Chúng gửi và nhận các dữliệu thu được từ chính nó hoặc các nút lân cận tới các nút khác hoặc tới sink

Phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm ứng là bộ nguồn Bộ nguồn cóthể là một số loại pin Để các nút có thời gian sống lâu thì bộ nguồn rất quan trọng,

nó phải có khả năng nạp điện từ môi trường như là năng lượng ánh sáng mặt trời

Hầu hết các kĩ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm ứng của mạng đều yêucầu có độ chính xác cao về vị trí Vì vậy cần phải có các bộ định vị Các bộ phận

di động, đôi lúc cần để dịch chuyển các nút cảm ứng khi cần thiết để thực hiện cácnhiệm vụ đã ấn định như cảm biến theo dõi sự chuyển động của vật nào đó

Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module.Ngoài kích cỡ ra các nút cảm ứng còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như làphải tiêu thụ rất ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tựhoạt động, và thích ứng với môi trường

I.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây

Giao tiếp không dây multihop: Khi giao tiếp không dây là kĩ thuật chính, thìgiao tiếp trực tiếp giữa hai nút sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hay các vậtcản Đặc biệt là khi nút phát và nút thu cách xa nhau thì cần công suất phát lớn.Vìvậy cần các nút trung gian làm nút chuyển tiếp để giảm công suất tổng thể Do vậycác mạng cảm biến không dây cần phải dùng giao tiếp multihop

Hoạt động hiệu quả năng lượng: để hỗ trợ kéo dài thời gian sống của toànmạng, hoạt động hiệu quả năng lượng là kĩ thuật quan trọng mạng cảm biến khôngdây

Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông

số một các tự động Chẳng hạn như các nút có thể xác định vị trí địa lý của nóthông qua các nút khác (gọi là tự định vị)

Xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: Trong một số ứng dụng một nút cảmbiến không thu thập đủ dữ liệu mà cần phải có nhiều nút cùng cộng tác hoạt động thìmới thu thập đủ dữ liệu, khi đó mà từng nút thu dữ liệu gửi ngay đến sink thì sẽ rất tốnbăng thông và năng lượng Cần phải kết hợp các dữ liệu của nhiều nút trong một vùngrồi mới gửi tới sink thì sẽ tiết kiệm băng thông và năng lượng

Do vậy , cấu trúc mạng mới sẽ:

 Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến

 Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng

 Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây

 Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận

Các nút cảm ứng được phân bố trong một sensor field như hình 1.4 Mỗi

một nút cảm ứng có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink Dữliệu được định tuyến lại đến các sink bởi một cấu trúc đa điểm Các sink có thểgiao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua mạng Internethoặc vệ tinh

Hình 1.4: Cấu trúc mạng cảm biến không dây

I.3 Kiến trúc giao thức mạng WSN

Trong mạng cảm ứng, dữ liệu sau khi được thu thập bởi các nút sẽ đượcđịnh tuyến gửi đến sink Sink sẽ gửi dữ liệu đến người dùng đầu cuối thông quainternet hay vệ tinh Kiến trúc giao thức được sử dụng bởi nút gốc và các nút cảm

biến (hình 1.5)

Hình 1.5: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến.

Kiến trúc giao thức này kết hợp giữa công suất và chọn đường, kết hợp sốliệu với các giao thức mạng, sử dụng công suất hiệu quả với môi trường vô tuyến

và sự tương tác giữa các nút cảm biến Kiến trúc giao thức bao gồm lớp vật lý, lớpliên kết dữ liệu, lớp mạng, lớp truyền tải, lớp ứng dụng, phần quản lý công suất,phần quản lý di động và phần quản lý nhiệm vụ

Lớp ứng dụng :Tùy vào từng nhiệm vụ của mạng cảm biến mà các phần

mềm ứng dụng khác nhau được xây dựng và sử dụng trong lớp ứng dụng Tronglớp ứng dụng có mốt số giao thức quan trọng như giao thức quản lí mạng cảm biến(SMP – Sensor Management Protocol), giao thức quảng bá dữ liệu và chỉ địnhnhiệm vụ cho từng sensor (TADAP – Task Assignment and Data Advertisement),giao thức phân phối dữ liệu và truy vấn cảm biến (SQDDP – Sensor Query andData Dissemination)

Lớp truyền tải: giúp duy trì luồng số liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến

yêu cầu Lớp truyền tải đặc biệt cần khi mạng cảm biến kết nối với mạng bênngoài, hay kết nối với người dùng qua internet Giao thức lớp vận chuyển giữasink với người dùng (nút quản lý nhiệm vụ) thì có thể là giao thức gói ngừời dùng(UDP – User Datagram Protocol) hay giao thức điều khiển truyền tải (TCP –Transmission Control Protocol) thông qua internet hoặc vệ tinh Còn giao tiếpgiữa sink và các nút cảm biến cần các giao thức kiểu như UDP vì các nút cảmbiến bị hạn chế về bộ nhớ Hơn nữa các giao thức này còn phải tính đến sự tiêu thụcông suất, tính mở rộng và định tuyến tập trung dữ liệu

Lớp mạng: quan tâm đến việc định tuyến dữ liệu được cung cấp bởi lớp

truyền tải Việc định tuyến trong mạng cảm biến phải đối mặt với rất nhiều tháchthức như mật độ các nút dày đặc, hạn chế về năng lượng…Do vậy thiết kế lớpmạng trong mạng cảm biến phải theo các nguyên tắc sau:

Hiệu quả về năng lượng luôn được xem là vấn đề quan trọng hàng đầu

Các mạng cảm biến gần như là tập trung dữ liệu

Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng

Phải có cơ chế địa chỉ theo thuộc tính và biết về vị trí

Có rất nhiều giao thức định tuyến được thiết kế cho mạng cảm biến khôngdây Nhìn tổng quan, chúng được chia thành ba loại dựa vào cấu trúc mạng, đó làđịnh tuyến ngang hàng, định tuyến phân cấp, định tuyến dựa theo vị trí Xét theohoạt động thì chúng được chia thành định tuyến dựa trên đa đường (multipath-based), định tuyến theo truy vấn (query- based), định tuyến thỏa thuận(negotiation-based), định tuyến theo chất lượng dịch vụ (QoS – Quanlity ofService), định tuyến kết hợp (coherent-based)

Lớp kết nối dữ liệu: Lớp kết nối dữ liệu chịu trách nhiệm cho việc ghép

các luồng dữ liệu, dò khung dữ liệu, điều khiển lỗi và truy nhập môi trường Vìmôi trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động, giao thức điều khiểntruy nhập môi trường (MAC – Media Access Control) phải xét đến vấn đề côngsuất và phải có khả năng tối thiểu hoá việc va chạm với thông tin quảng bá của cácnút lân cận

Lớp vật lý: Lớp vật lý chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, phát tần số sóng

mang, điều chế, lập mã và tách sóng

Phần quản lý công suất: điều khiển việc sử dụng công suất của nút cảm

biến Ví dụ, nút cảm biến có thể tắt khối thu của nó sau khi thu được một bản tin từmột nút lân cận Điều này giúp tránh tạo ra các bản tin giống nhau Khi mức côngsuất của nút cảm biến thấp, nút cảm biến phát quảng bá tới các nút lân cận đểthông báo nó có mức công suất thấp và không thể tham gia vào các bản tin chọnđường Công suất còn lại sẽ được dành riêng cho nhiệm vụ cảm biến

Phần quản lý di động phát hiện và ghi lại sự di chuyển của các nút cảm

biến để duy trì tuyến tới người sử dụng và các nút cảm biến Nhờ xác định đượccác nút cảm biến lân cận, các nút cảm biến có thể cân bằng giữa công suất của nó

và nhiệm vụ thực hiện

Phần quản lý nhiệm vụ có thể lên kế hoạch các nhiệm vụ cảm biến trong

một vùng xác định Không phải tất cả các nút cảm biến trong vùng đó điều phảithực hiện nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời điểm Kết quả là một số nút cảmbiến thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức công suất của nó

Những phần quản lý này là cần thết để các nút cảm biến có thể làm việccùng nhau theo một cách thức sử dụng hiệu quả công suất, chọn đường số liệutrong mạng cảm biến di động và phân chia tài nguyên giữa các nút cảm biến

I.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến mạng WSN

I.4.1 Thời gian sống bên ngoài

Các nút WSN với nguồn năng lượng pin giới hạn Ví dụ: một loại pin kiềmcung cấp 50Wh năng lượng, nó có thể truyền cho mỗi nút mạng ở chế độ tích cựcgần 1 tháng hoạt động Sự tiêu tốn và tính khả thi của giám sát và thay thế pin chomột mạng rộng, thì thời gian sống dài hơn được thiết kế Trong thực tế, pin rất cần

thiết trong rất nhiều ứng dụng để bảo đảm mạng WSN có thể tự động sử dụngkhông cần thay thế trong vài năm Sự cải thiện của phần cứng trong thiết kế pin và

kĩ thuật thu năng lượng sẽ giúp ta một phần trong việc tiết kiệm pin

I.4.2 Sự đáp ứng

Giải pháp đơn giản nhất để kéo dài thời gian sống bên ngoài là điều khiểncác node trong 1 chu kì làm việc với chu kì chuyển mạch giữa 2 chế độ: chế độngủ (mode sleep) và chế độ hoạt động (mode active) Trong khi quá trình đồng bộ

ở chế độ ngủ là 1 thách thức của WSN, vấn đề lớn liên quan đến nữa là chu trìnhngủ 1 cách tùy ý có thể làm giảm khả năng đáp ứng cũng như hiệu suất của cácsensor Trong một số ứng dụng, các sự kiện trong tự nhiên được tìm thấy và thôngbáo nhanh, thì sự trễ bởi lịch ngủ phải được giữ ở giới hạn chính xác, thậm chítrong sự tồn tại của nghẽn mạng

I.4.3 Tính chất mạnh (Robustness)

Mục tiêu của WSN là cung cấp ở phạm vi rộng lớn, độ bao phủ chính xác(fine-grained coverage) Mục tiêu này phổ biến ở số lượng lớn các thiết bị khôngđắt tiền Tuy nhiên các thiết bị rẻ thường kém tin cậy và thường dễ xảy ra lỗi Tốc

độ lỗi cũng sẽ cao khi các thiết bị cảm ứng được triển khai trong các môi trườngkhắc khe và trong vùng của kẻ địch Giao thức thiết kế do đó cũng phải xây dựng

kỹ sảo để có thể đáp ứng tốt Rất khó để chắc chắn rằng việc định dạng toàn cầucủa hệ thống là không bị hỏng với các thiết bị lỗi

I.4.4 Hiệu suất (Synergy)

Các cải tiến của luật Moore trong công nghệ đảm bảo dung năng của thiết

bị về các mặt: xử lí nguồn, bộ nhớ - lưu trữ, thực hiện truyền nhận vô tuyến, cảithiện nhanh chóng sự chính xác của bộ cảm biến Tuy nhiên, vấn đề kinh tế đượcđặt ra ở đây là giá cả trên một node giảm mạnh (từ hàng trăm đô la xuống còn vàicent), nó có thể làm cho dung năng của vài node sẽ bị hạn chế ở 1 mức độ nhấtđịnh Đó là lý do để thiết kế các giao thức cho hiệu suất cao, nó bảo đảm rằng hệthống tổng thì sẽ có dung năng lớn hơn so với dung năng của các thành phần trong

nó cộng lại Các giao thức cung cấp một khả năng hợp tác giữa lưu trữ, máy tính

và các tài nguyên thông tin

I.4.5 Tính mở rộng (Scalability)

WSN có khả năng hoạt động ở một vùng cực rộng (lớn hơn 10 ngàn, thậmchí là hàng triệu node trong một giới hạn về độ dài).Có một vài hạn chế về thônglượng và dung lượng làm ảnh hưởng đến scalability của hoạt động mạng

I.4.6 Tính không đồng nhất (Heterogeneity)

Sẽ tồn tại sự không đồng nhất trong dung năng của thiết bị trong quá trìnhcài đặt thực tế (cụ thể là máy móc, thông tin dữ liệu và cảm biến) Sự không đồngnhất sẽ có ảnh hưởng quan trọng đến thiết kế

I.4.7 Tự cấu hình

Do phạm vi và các ứng dụng trong tự nhiên, WSN là các hệ thống phânphối không cần chủ Hoạt động tự động là vấn đề chính được đặt ra trong thiết kế.Ngay từ khi bắt đầu, các node trong WSN có thể được cấu hình theo topo mạngcủa chúng; tự đồng bộ, tự kiểm tra, và quyết định các thông số hoạt động khác

I.4.8 Tự tối ưu và tự thích nghi

Trong WSN, thường có những tín hiệu không chắc chắn về điều kiện hoạtđộng trước khi triển khai Dưới những điều kiện đó, việc xây dựng những máymóc để có thể tự học từ sensor và thu thập các phép đo mạng, sử dụng những cáihọc được đó để tiếp tục hoạt động cải tiến là điều rất quan trọng

Ngoài ra, một điều trước tiên không biết chắc được là môi trường mà WSNhoạt động có thể thay đổi mạnh mẽ qua thời gian Các giao thức WSN sẽ làm chothiết bị có thể thích nghi với môi trường năng động trong khi nó đang sử dụng

I.4.9 Thiết kế có hệ thống

WSN có thể là một ứng dụng cao cho từng chức năng riêng, nên cần có sựcân bằng giữa hai yếu tố:

 Mỗi ứng dụng cần có những đặc điểm khai thác ứng dụng riêng để đưa

ra những hoạt động phát triển cao

 Tính mềm dẻo: các phương pháp thiết kế phải phổ biến cho các hoạt

động

I.4.10 Cách biệt và bảo mật

Phạm vi hoạt động lớn, phổ biến rộng, nhạy của thông tin thu được bởi vìWSN làm tăng yêu cầu chính cuối cùng là: bảo đảm sự cách biệt và bảo mật

I.5 Ứng dụng của mạng WSN

WSN được ứng dụng đầu tiên trong các lĩnh vực quân sự Cùng với sự pháttriển của ngành công nghiệp điều khiển tự động, robotic, thiết bị thông minh, môitrường, y tế WSN ngày càng được sử dụng nhiều trong hoạt động công nhiệp vàdân dụng

Một số ứng dụng cơ bản của WSN:

 Cảm biến môi trường:

 Quân sự: phát hiện mìn, chất độc, dịch chuyển quân địch,…

 Công nghiệp: hệ thống chiếu sáng, độ ẩm, phòng cháy, rò rỉ,…

 Dân dụng: hệ thống điều hòa nhiệt độ, chiếu sáng…

 Điều khiển:

 Quân sự: kích hoạt thiết bị, vũ khí quân sự,…

 Công nghiệp: điều khiển tự động các thiết bị, robot,…

Môi trường: Giám sát lũ lụt, bão, gió, mưa, phát hiện ô nhiễm, chất thải

Y tế: định vị, theo dõi bệnh nhân, hệ thống báo động khẩn cấp,…

Hệ thống giao thông thông minh:

 Giao tiếp giữa biển báo và phương tiện giao thông, hệ thống điều tiếtlưu thông công cộng, hệ thống báo hiệu tai nạn, kẹt xe,…

 Hệ thống định vị phương, trợ giúp điều khiển tự động phương tiện giaothông,…

 Gia đình: nhà thông minh: hệ thống cảm biến, giao tiếp và điều khiển cácthiết bị thông minh,…

WSN tạo ra môi trường giao tiếp giữa các thiết bị thông minh, giữa cácthiết bị thông minh và con người, giao tiếp giữa các thiết bị thông minh và các hệthống viễn thông khác (hệ thống thông tin di động, internet,…)

CHƯƠNG II ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Do những đặc điểm riêng biệt mà định tuyến trong mạng cảm biến khôngdây phải đối mặt với rất nhiều vấn đề Rất nhiều các giải thuật mới đã được đưa ra

để giải quyết vấn đề định tuyến dữ liệu Các thuật toán phải đáp ứng được các yêucầu về ứng dụng và cấu trúc, cũng như các đặc điểm riêng của mạng Chương nàytrình bày ba loại giao thức thường được dùng trong mạng cảm biến, đó là địnhtuyến trung tâm dữ liệu (data centric protocol), định tuyến phân cấp (hierarchicalprotocol) và định tuyến dựa vào vị trí (location-based protocol)

II.1 Giới thiệu

Mặc dù mạng cảm biến có khá nhiều điểm tương đồng so với các mạngadhoc có dây và không dây nhưng chúng cũng có một số các đặc tính duy nhất màtạo cho chúng tồn tại thành mạng riêng Do vậy nó yêu cầu thiết kế các giao thứcđịnh tuyến mới mà khác xa so với các giao thức định tuyến trong các mạng adhoc

có dây và không dây

II.2 Thách thức trong vấn đề định tuyến

II.2.1 Tính động của mạng

Mạng cảm ứng bao gồm ba phần chính, đó là các nút cảm ứng, nút sink và

các sự kiện cần giám sát Trừ một vài trường hợp thiết lập các nút cảm ứng diđộng, còn lại hầu hết các nút cảm biến được giả thiết là cố định Tuy nhiên trongmột số ứng dụng, cả nút gốc và các nút cảm biến có thể di chuyển Khi đó các bảntin chọn đường được lấy từ các nút di động hay được chuyển đến các nút di động

sẽ phải đối mặt với nhiều vấn đề hơn như đường liên lạc, cấu hình mạng, nănglượng, độ rộng băng Các sự kiện cảm nhận có thể là tĩnh hoặc động, tùy thuộcvào các ứng dụng

II.2.2 Sự triển khai các node

Việc phân bố nút trong WSN phụ thuộc vào ứng dụng và có thể được xácđịnh trước hoặc tự phân bố Trong trường hợp được xác định trước, các nút đượcđặt bằng tay và dữ liệu được định tuyến thông qua các đường đã định Tuy nhiêntrong các hệ thống tự tổ chức, các nút cảm ứng được phân bố ngẫu nhiên, tạo ra

một cấu trúc theo kiểu ad hoc Trong các cấu trúc đó, vị trí của các sink hay là các

nút chủ cũng góp phần không nhỏ vào việc sử dụng hiệu quả năng lượng và hoạtđộng của mạng Trong hầu hết các cấu hình mạng, liên lạc giữa các nút cảm biếnthường có cự ly ngắn do các hạn chế về năng lượng và băng thông Do đó việcchọn đường sẽ thực hiện qua nhiều bước nhảy

II.2.3 Tính đến năng lượng

Trong quá trình xây dựng mạng, quá trình định tuyến bị ảnh hưởng mạnhbởi năng lượng Vì năng lượng truyền đi của sóng vô tuyến là một hàm suy haotheo khoảng cách và đặc biệt suy giảm mạnh trong trường hợp có nhiều vật cản,định tuyến đa bước nhảy (multihop) sẽ tiêu thụ ít năng lượng hơn là việc truyềntrực tiếp Tuy nhiên, định tuyến đa bước nhảy cần một số lượng lớn các tiêu đề(overhead) để điều khiển cấu hình và điều khiển truy nhập đường truyền Định

tuyến trực tiếp sẽ tốt hơn trong trường hợp tất cả các nút đều rất gần sink nhưng

trong hầu hết các trường hợp các nút đều được rải ngẫu nhiên trong một vùngrộng, do vậy định tuyến đa bước nhảy hay được sử dụng hơn Trong WSN đa bướcnhảy, mỗi nút đóng hai vai trò là truyền số liệu và chọn đường Một số nút cảmbiến hoạt động sai chức năng do lỗi nguồn công suất có thể gây ra sự thay đổi cấuhình mạng nghiêm trọng và phải chọn đường lại các gói hoặc tổ chức lại mạng

II.2.4 Phương pháp báo cáo số liệu

Tùy thuộc vào từng ứng dụng của mạng mà việc báo cáo số liệu trong WSN

có thể được chia thành: báo cáo theo thời gian, theo sự kiện, theo yêu cầu hoặcghép lại các phương pháp này

Phương pháp báo cáo theo thời gian phù hợp với các ứng dụng yêu cầugiám sát số liệu định kỳ Khi đó, các nút cảm biến sẽ bật bộ phận cảm biến và bộphận phát theo định kỳ, cảm nhận môi trường, phát số liệu yêu cầu theo chu kỳthời gian xác định

Trong phương pháp báo cáo theo sự kiện và theo yêu cầu, các nút cảm biến

sẽ phản ứng tức thì đối với những thay đổi giá trị của thuộc tính cảm biến do xuấthiện một sự kiện xác định nào đó hoặc để trả lời một yêu cầu được tạo ra bởi nútgốc hay các nút khác trong mạng

Do vậy, những phương pháp này phù hợp với các ứng dụng phụ thuộc thờigian Các giao thức định tuyến chịu ảnh hưởng đáng kể từ phương pháp báo cáo sốliệu, đặc biệt khi tính đến việc tối thiểu hóa năng lượng và sự ổn định tuyến

II.2.5 Khả năng của các node

Các nghiên cứu trước đây đều giả thiết các nút là đồng nhất, nghĩa là có khảnăng như nhau trong việc tính toán, truyền tin và có công suất như nhau Tuynhiên phụ thuộc vào từng ứng dụng khác nhau mà một nút có thể phải thực hiệncác chức năng cụ thể như truyền, cảm nhận và tập hợp, vì thế việc kết hợp ba chứcnăng trong cùng một thời điểm có thể nhanh chóng làm tiêu hao năng lượng củanút đó

Các nút không đồng nhất kết hợp với nhau đã tạo ra nhiều vấn đề kĩ thuậtliên quan đến định tuyến Ví dụ một vài ứng dụng cần phải kết hợp nhiều sensor đểkiểm tra nhiệt độ, áp suất và độ ẩm của môi trường xung quanh, phát hiện sự dịchchuyển thông qua tín hiệu âm thanh và ghi lại hình ảnh hoặc tín hiệu âm thanh củacác vật chuyển động Tốc độ đọc của các sensor này có thể khác nhau, vì thế vớinhững môi trường không đồng nhất như vậy việc định tuyến dữ liệu gặp nhiều khókhăn hơn Ví dụ, các giao thức phân cấp chỉ rõ nút chủ nhóm khác so với các nútcảm biến bình thường khác Những nút chủ nhóm này có thể được chọn từ các nútcảm biến phân bố hoặc các nút mạnh hơn các nút cảm biến khác về công suất,băng thông và bộ nhớ Do đó, nhiệm vụ truyền tin tới nút gốc được tập trung bởimột nhóm các nút chủ nhóm

II.2.6 Tập trung / hợp nhất dữ liệu

Các nút cảm ứng có thể truyền một lượng đáng kể dữ liệu thừa, để giảm sốlần truyền thì các gói tương tự nhau từ nhiều nút khác nhau phải được tập trung lại.Tập trung dữ liệu là sự kết hợp các dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau bằng việc

dùng các chức năng như nén (suppression), lấy min (min), lấy max (max) và lấy trung bình (average) Các chức năng trên có thể được thực hiện một phần hoặc

toàn bộ trong mỗi một nút cảm ứng Việc tinh toán sẽ tiêu tốn ít năng lượng hơn sovới giao tiếp, và quá trình tập hợp dữ liệu sẽ tiết kiệm được lượng năng lượngđáng kể Kĩ thuật này được sử dụng trong khá nhiều các giao thức định tuyến.Trong một số cấu trúc mạng, tất cả các chức năng tập trung dữ liệu được chỉ định

cho các nút nhiều năng lượng và chuyên dụng Tập trung dữ liệu cũng khả thitrong kỹ thuật xử lý tín hiệu.

II.3 Phân loại và so sánh các giao thức định tuyến trong WSN

Có nhiều cách phân loại các giao thức chọn đường trong WSN Ngoài cáchchia làm ba loại như đã đề cập ở trên, đó là định tuyến trung tâm dữ liệu, địnhtuyến phân cấp và định tuyến dựa vào vị trí việc chọn đường trong WSN còn cóthể được chia thành chọn đường ngang hàng, chọn đường phân cấp và chọn đườngdựa theo vị trí tuỳ thuộc vào cấu trúc mạng Những giao thức này cũng có thểđược chia thành các giao thức chọn đường đa đường, yêu cầu hỏi/đáp, liên kếthoặc dựa vào chất lượng dịch vụ -QoS tuỳ theo cơ chế hoạt động của giao thức.Ngoài ra, các giao thức chọn đường có thể được chia thành ba loại là chủ động,tương tác hoặc ghép tuỳ thuộc vào cách thức mà nguồn tìm đường tới đích Trongcác giao thức chủ động, tất cả các đường được tính toán trước khi có yêu cầu,trong khi đối với các giao thức tương tác thì các đường được tính toán theo yêucầu Để khái quát, có thể sử dụng phân loại theo cấu trúc mạng và cơ chế hoạtđộng của giao thức (tiêu chuẩn chọn đường) Việc phân loại và so sánh các giao

thức chọn đường trong WSN được chỉ ra trong hình 2.1 và hình 2.2

Hình 2.1: Phân loại giao thức chọn đường trong WSN

Hình 2.2: Phân loại và so sánh các giao thức chọn đường trong WSN

II.4 Các loại giao thức định tuyến

II.4.1 Giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu (data centric protocols)

Trong nhiều ứng dụng của mạng cảm ứng thì việc xác định số nhận dạngtoàn cầu cho từng nút là không khả thi Việc thiếu số nhận dạng toàn cầu cùng vớiviệc triển khai ngẫu nhiên các nút gây khó khăn trong việc chọn ra tập hợp các nútchuyên dụng Vì thế dữ liệu được truyền từ mọi nút trong vùng triển khai với độ

dư thừa đáng kể, nên việc sử dụng năng lượng sẽ không hiệu quả Do vậy, người ta

đã đưa ra các giao thức định tuyến mà có khả năng chọn ra tập hợp các nút và thựchiện tập trung dữ liệu trong suốt quá trình truyền Điều này đã dẫn đến ý tưởng vềgiao thức trung tâm dữ liệu Trong giao thức định tuyến này, sink gửi yêu cầu đếncác vùng xác định và đợi dữ liệu từ các sensor đã được chọn trước trong vùng.SPIN là giao thức đầu tiên thuộc loại này mà đã đề cập đến việc dàn xếp dữ liệugiữa các nút để giảm bớt sự dư thừa dữ liệu và tiết kiệm năng lượng Sau đóDirected Diffusion (truyền tin trực tiếp) được phát triển và là một giao thức rấtđáng chú ý trong định tuyến trung tâm dữ liệu

II.4.1.1 SPIN (Sensor protocols for information via negotiation)

SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation) là giao thức địnhtuyến thông tin dựa trên sự dàn xếp dữ liệu Mục tiêu chính của giao thức này đó

là tập trung việc quan sát môi trường có hiệu quả bằng một số các nút cảm biếnriêng biệt trong toàn bộ mạng Nguyên lý của giao thức này đó là sự thích ứng vềtài nguyên và sắp xếp dữ liệu Ý nghĩa của việc dàn xếp dữ liệu (data negotiation)này là các nút trong SPIN sẽ biết về nội dung của dữ liệu trước khi bất kỳ dữ liệunào được truyền trong mạng Nơi nhận dữ liệu có thể bày tỏ mối quan tâm đến nộidung dữ liệu bằng cách gửi yêu cầu để lấy được dữ liệu quảng bá Điều này tạo ra

sự sắp xếp dữ liệu để đảm bảo rằng dữ liệu chỉ được truyền đến nút quan tâm loại

dữ liệu này Do đó mà loại trừ khả năng bản tin kép và giảm thiểu đáng kể việctruyền dữ liệu dư thừa qua mạng Việc sử dụng bộ miêu tả dữ liệu cũng loại trừkhả năng chồng chất vì các nút có thể chỉ giới hạn về lọai dữ liệu mà chúng quantâm đến Mỗi nút có thể dò tìm tới bộ quản lý để theo dõi mức tiêu thụ năng lượngcủa mình trước khi truyền hoặc xử lý dữ liệu Khi mức năng lượng còn lại thấp cácnút này có thể giảm hoặc loại bỏ một số hoạt động như là truyền miêu tả dữ liệu

hoặc các gói Chính việc thích nghi với tài nguyên làm tăng thời gian sống củamạng.

Để thực hiện truyền và sắp xếp dữ liệu các nút sử dụng giao thức này sử

dụng ba loại bản tin (hình 2.3).

Hình 2.3: Ba tín hiệu bắt tay của SPIN

Hình 2.4: Hoạt động của SPIN

Hoạt động của SPIN gồm 6 bước

 Bước 1: ADV (Advertise) để thông báo dữ liệu mới tới các nút

 Bước 2: REQ (Request) để yêu cầu dữ liệu cần quan tâm Sau khi nhận

được ADV các nút quan tâm đến dữ liệu này sẽ gửi REQ để yêu cầu lấy dữ liệu

 Bước 3: bản tin DATA, bản tin này thực sự chứa dữ liệu được cảm biến

và kèm theo mào đầu miêu tả dữ liệu

 Bước 4: sau khi nút này nhận dữ liệu nó sẽ chia sẻ dữ liệu của nó cho

các nút còn lại trong mạng bằng việc phát bản tin ADV chứa miêu tả dữ liệu(metadata)

 Bước 5: sau đó các nút xung quanh lại gửi bản tin REQ yêu cầu dữ liệu.

 Bước 6: là DATA lại được truyền đến các nút mà yêu cầu dữ liệu này.

Tuy nhiên giao thức SPIN cũng có hạn chế khi mà nút trung gian khôngquan tâm đến dữ liệu nào đó, khi đó dữ liệu không thể đến được đích

II.4.1.2 Truyền tin trực tiếp (Directed Diffusion)

Đây là giao thức trung tâm dữ liệu đối với việc truyền và phân bổ thông tintrong mạng cảm biến không dây Mục tiêu chính là tiết kiệm năng lượng để tăngthời gian sống của mạng để đạt được mục tiêu này, giao thức này giữ tương tácgiữa các nút cảm biến, dựa vào việc trao đổi các bản tin, định vị trong vùng lâncận mạng Sử dụng sự tương tác về vị trí nhận thấy có tập hợp tối thiểu các đườngtruyền dẫn Đặc điểm duy nhất của giao thức này là sự kết hợp với khả năng củanút để có thể tập trung dữ liệu đáp ứng truy vấn của sink để tiết kiệm năng lượng.Thành phần chính của giao thức này bao gồm 4 thành phần: interest (thông tin yêucầu), data message (các bản tin dữ liệu), gradient, reinforcements Directeddisffusion sử dụng mô hình publish- and subcribe trong đó một người kiểm tra (tạisink) sẽ miêu tả mối quan tâm (interest) bằng một cặp thuộc tính-giá trị

Như vậy, yêu cầu dữ liệu gửi từ cảm biến nhiệt độ trong vòng 10’s và trong mộtmiền chi tiết như hình chử nhật có thể được trình bày như sau:

Cặp thuộc tính – giá trị mô tả

Type = temperature kiểu dữ liệu cảm biến

Start = 01:00:00 thời gian bắt đầu

Interval =1s báo cáo sự kiện, chu kỳ là 1s

Duration = 10s thời gian sống của interes (cho 10s)Location = [24,48,36,40] ở trong miền này

Và dữ liệu trả lời từ node chi tiết có thể là:

Type = temperature kiểu của dữ liệu cảm biến

Valus = 38.3 giá trị nhiệt độ được đọc

Timestamp = 1:02:00 nhãn thời gian (t/g ngay tại thời điểm đọc)Location = [30,38] báo cáo từ cảm biến trong vùng x,y

Hoạt động của Directed Dissfusion ( hình 2.5)

Sink sẽ gởi quảng bá bản tin interest theo chu kỳ cho các nút lân cận Bảntin này sẽ truyền qua tất cả các nút trong mạng như là một sự quan tâm đến một dữliệu nào đó Mục đích của việc thăm dò này là để xem xét xem có nút cảm biếnnào đó có thể tìm kiếm dữ liệu tương ứng với interest Tất cả các nút đều duy trìmột interest cache để lưu trữ các interest entry khác nhau

Mỗi một mục (entry) trong interest cache sẽ lưu trữ một interest khácnhau Các entry cache này sẽ lưu trữ một số trường sau: một nhãn thời gian(timestamp), nhiều trường gradient cho mỗi nút lân cận và và trường duration.Nhãn thời gian sẽ lưu trữ nhãn thời gian của interest nhận được sau cùng Mỗigradient sẽ lưu trữ cả tốc độ dữ liệu và chiều mà dữ liệu được gửi đi Trườngduration sẽ xác định khoảng thời gian tồn tại của interest Một gradient có thể coinhư là một liên kết phản hồi của nút lân cận khi mà nhận được bản tin interest.Việc truyền bản tin interest trong toàn mạng cùng với việc thiết lập các gradient tạimỗi nút cho phép việc tìm ra và thiết lập các đường dẫn giữa sink để đưa ra yêucầu về dữ liệu quan tâm và các nút mà đáp ứng mối quan tâm đó

Khi một nút phát hiện một sự kiện nó sẽ tìm kiếm trong cache xem cóinterest nào phù hợp không, nếu có nó sẽ tính toán tốc độ sự kiện cao nhất cho tất

cả các gradient lối ra Sau đó nó thiết lập một phân hệ cảm biến để lấy mẫu các sựkiện ở mức tốc độ cao này Các nút sẽ gửi ra ngoài miêu tả về sự kiện cho các nútlân cận có gradient Các nút lân cận này nhận dữ liệu và sẽ kiểm tra trong cachexem có entry nào phù hợp không, nếu không nó sẽ loại bỏ dữ liệu còn nếu phù hợp

nó sẽ nhận dữ liệu các nút này, sẽ thêm bản tin vào cache dữ liệu và sau đó gửi bảntin dữ liệu cho các nút lân cận

Hình 2.5: Hoạt động cơ bản của Directed Diffusion

Khi nhận được một interest các nút tìm kiếm trong interest cache của nóxem có entry nào phù hợp không, nếu không nút sẽ tạo một cache entry mới Cácnút sẽ sử dụng các thông tin chứa trong interest để tạo ra các thông số interesttrong entry Các entry này là một tập hợp chứa các trường gradient với tốc độ vàchiều tương ứng với nút lân cận mà interest được nhận Nếu như interest nhậnđược có trong cache thì nút sẽ cập nhật nhãn thời gian và trường duration cho phùhợp với entry Một trường gradient sẽ được remove khỏi entry nếu quá hạn Trongpha thiết lập gradient thì các sink sẽ thiết lập một tập hợp các đường dẫn Sink cóthể sử dụng đường dẫn này với sự kiện chất lượng cao để làm tăng tốc độ dữ liệu.Điều này đạt được thông qua một đường dẫn được hỗ trợ xử lý (pathreinforcement process) Các sink này có thể sử dụng sự hỗ trợ của một số các nútlân cận Để làm được điều này sink có thể gửi lại bản tin interest nguồn ở tốc độcao thông qua các đường dẫn được chọn, nhờ việc tăng cường các nút nguồn trênđường dẫn để gửi dữ liệu thường xuyên hơn Directed disffusion có ưu điểm nếumột đường dẫn nào đó giữa sink và một nút bị lỗi, một đường dẫn có tốc độ dữliệu thấp hơn được thay thế Kỹ thuật định tuyến này ổn định dưới phạm vi mạngđộng Loại giao thức định tuyến này tiết kiệm năng lượng đáng kể

II.4.1.3 Định tuyến tải cân bằng năng lượng (Load-balanced Energy aware routing)

Mức năng lượng cộng thêm vào của load balancing là cần thiết trong mộtmạng tĩnh, kỉ thuật chuyển tiếp theo xác suất cost-based sau đấy được sử dụng.Những node chỉ chuyển tiếp các gói tin đến các neighbor (các node lân cận), nó sẽ

bị đóng khi đến đích Đặt cost từ đích đến node i được xem là thích hợp khineighbor j được định rõ là: Ci,j =Cj + ci.j

Cj : là cost mong chờ tối thiểu từ đích đến j

ci,j : là kết nối bất kì của link metric (vd: c

i b i a j

T  , mectric thỏa thuận ởtrên)

Cho neighbor j, nó sẽ thiết lập những neighbor (Ni) được xem là thích hợp,node được gán với một xác suất chuyển tiếp, nó là số hạng (proportianal) từ costđến đích

Node i khi được tính toán là cost mong đợi nhỏ nhất đến đích cho bản thânnó

Mỗi lần node cần định tuyến bất kì một gói tin nào đó , nó sẽ chuyển tiếpđến bất kì các neighbor nào mà có xác suất tương ứng Điều này cung cấp cho loadbalancing, ngăn chặn một đường dẫn đơn nào đó sẽ làm cạn kiệt năng lượng nhanhhơn

II.4.2 Giao thức phân cấp (Hierarchical protocols)

Mục đích chính của định tuyến phân cấp là để duy trì hiệu quả việc tiêu thụnăng lượng của các nút cảm ứng bằng việc đặt chúng trong giao tiếp multihoptrong một cụm cụ thể và bằng việc thực hiện tập trung và hợp nhất dữ liệu để giảm

số bản tin được truyền đến sink Sự hình thành các cụm chủ yếu dựa trên nănglượng dự trữ của sensor và vùng lân cận của sensor so với các nút chủ của cụm.LEACH là một trong số những cách tiếp cận định tuyến phân cấp đầu tiên cho

mạng cảm ứng Ý tưởng của LEACH là động lực cho rất nhiều giao thức địnhtuyến phân cấp khác phát triển.

LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)

LEACH là giao thức phân cấp theo cụm thích ứng năng lượng thấp Đây làgiao thức thu lượm và phân phát dữ liệu tới các sink đặc biệt là các trạm cơ sở

Mục tiêu chính của LEACH là:

Mở rộng thời gian sống của mạng

Giảm sự tiêu thụ năng lượng bởi mỗi nút mạng

Sử dụng tập trung dữ liệu để giảm bản tin truyền trong mạng

LEACH thông qua mô hình phân cấp để tổ chức mạng thành các cụm, mỗicụm được quản lý bởi nút chủ Nút chủ thực hiện nhiều nhiệm vụ Đầu tiên là thulượm dữ liệu theo chu kỳ từ các nút thành viên, trong quá trình tập trung dữ liệunút chủ sẽ cố gắng tập hợp dữ liệu để giảm dư thừa về những dữ liệu giống nhau.Nhiệm vụ thứ hai đó là nút chủ sẽ trược tiếp truyền dữ liệu đã được tập hợp lại đếncác trạm cơ sở, việc truyền này thực hiện theo kiểu single hop Nhiệm vụ thứ ba làLEACH sẽ tạo ra mô hình ghép kênh theo thời gian TDMA (Time DivisionMultiple Access), mỗi nút trong cụm sẽ được gán một khe thời gian mà có thể sửdụng để truyền tin

Mô hình LEACH (hình 2.6) Các nút chủ sẽ quảng bá mô hình TDMA cho

các nút thành viên trong cụm của nó Để giảm thiểu khả năng xung đột giữa cácnút cảm biến trong và ngoài cụm, LEACH sử dụng mô hình truy cập đa phân chiatheo mã CDMA.Quá trình hoạt động của LEACH được chia thành hai pha là phathiết lập và pha ổn định Pha thiết lập bao gồm hai bước là lựa chọn nút chủ vàthông tin về cụm Pha ổn định trạng thái gồm thu lượm dữ liệu, tập trung dữ liệu

và truyền dữ liệu đến các trạm cơ sở Thời gian của bước ổn định kéo dài hơn sovới thời gian của bước thiết lập để giảm thiểu mào đầu

Hình 2.6: Mô hình mạng LEACH

Ở bước thiết lập, một nút cảm biến lựa chọn 1 số ngẫu nhiên giữa 0 và 1

Nếu số này nhỏ hơn ngưỡng T(n) thì nút cảm biến là nút chủ T(n) được

tính như sau:

Trong đó:

P : tỉ lệ phần trăm nút chủ

r : sổ ngẫu nhiên giữa 0 và 1

G: tập hợp các nút không được lựa chọn làm nút chủ trong 1/p chu kì cuối.

Sau khi được chọn làm nút chủ, các nút chủ sẽ quảng bá vai trò mới củachúng cho các nút còn lại trong mạng Các nút còn lại trong mạng dựa vào bản tin

đó và cường độ tín hiệu nhận được hoặc một số tiêu chuẩn nào đó để quyết địnhxem có tham gia vào cụm đó hay không Và sau đó các nút này sẽ thông báo chonút chủ biết là mình có mong muốn trở thành thành viên của cụm do nút chủ đóđảm nhận

Trong quá trình tạo cụm các nút chủ sẽ tạo và phân phát mô hình TDMA(Time Division Multiple Access) cho các nút thành viên trong cụm Mỗi nút chủcũng chọn lựa một mã CDMA (Carrier Sense Multiple Access) mà sau đó sẽ thông

báo tới tất cả các thành viên trong cụm biết Sau khi pha thiết lập hoàn thành báohiệu sự bắt đầu của pha ổn định trạng thái và các nút trong cụm sẽ thu lượm dữliệu và sử dụng các khe thời gian để truyền dữ liệu đến nút chủ Dữ liệu được thulượm theo chu kỳ.

LEACH cũng có một số khuyết điểm sau:

Giả sử rằng tất cả các nút chủ trong mạng đều truyền đến trạm cơ sởthông qua một bước nhảy là không thực tế, vì dự trữ năng lượng và khả năng củacác nút thay đổi theo thời gian từ nút này đến nút khác Hơn nữa khoảng chu kỳ ổnđịnh trạng thái là vấn đề then chốt để đạt được giảm năng lượng cần thiết để bùđắp lượng mào đầu gay ra bởi xử lý lựa chọn cụm Chu kỳ ngắn sẽ làm tăng lượngmào đầu, chu kỳ dài sẽ nhanh chóng làm tiêu hao năng lượng của nút chủ

LEACH có đặc tính giúp tiết kiệm năng lượng, yêu cầu về năng lượngtrong LEACH được phân bố cho tất cả các nút trong mạng vì giả sử rằng vai trònút chủ được luân chuyển vòng tròn dựa trên năng lượng còn lại trên mỗi nút.LEACH là thuật toán phân tán hoàn toàn và không yêu cầu sự điều khiển bởi trạm

cơ sở Việc quản lý cụm là cục bộ và không cần sự hiểu biết về mạng toàn cục.Việc tập trung dữ liệu theo cụm cũng tiết kiệm năng lượng đáng kể vì các nútkhông yêu cầu gửi trực tiếp dữ liệu đến sink

II.4.3 Giao thức dựa trên vị trí (Location-based protocols)

Hầu hết các giao thức định tuyến cho mạng cảm ứng đều yêu cầu thông tin

về vị trí của các nút cảm ứng, để có thể tính toán khoảng cách giữa hai nút xácđịnh, từ đó có thể ước lượng được năng lượng cần thiết Vì mạng cảm ứng không

có chế độ địa chỉ nào như địa chỉ IP và chúng được triển khai trong không gian ởmột vùng nào đó, vì vậy thông tin về vị trí cần phải được sử dụng trong các dữ liệuđịnh tuyến theo cách hiệu quả về mặt năng lượng

II.4.3.1 GAF (Geographic adaptive fidelity)

GAF dự trữ năng lượng bằng cách tắt các nút không cần thiết trong mạng

mà không ảnh hưởng đến mức độ chính xác của định tuyến Nó tạo ra một lưới ảocho vùng bao phủ Mỗi nút dùng hệ thống định vị toàn cầu (GPS - GlobalPoisitioning System) của nó, xác định vị trí để kết hợp với một điểm trên lướiđược gọi là tương đương khi tính đến việc định tuyến gói, để giữ các nút định vị

trong vùng lưới xác định ở trạng thái nghỉ để tiết kiệm năng lượng Vì vậy GAF cóthể tăng đáng kể thời gian sống của mạng cảm ứng khi mà số lượng các nút tăng

lên Ví dụ được đưa ra ở hình 2.7, nút 1 có thể truyền đến bất kì nút nào trong số

các nút 2, 3 và 4 và các nút 2, 3, 4 có thể truyền tới nút 5 Do đó các nút 2, 3, và 4

là tương đương và 2 trong số 3 nút đó có thể ở trạng thái nghỉ

Hình 2.7: Ví dụ về lưới ảo trong GAF

Các nút chuyển trạng thái từ nghỉ sang hoạt động lần lượt để cho các tảiđược cân bằng Có ba trạng thái được định nghĩa trong GAF, đó là phát hiện(discovery) để xác định các nút lân cận trong lưới, hoạt động (active) thể hiện sựtham gia vào quá trình định tuyến và nghỉ (sleep) khi sóng được tắt đi Sự chuyển

trạng thái trong GAF (hình 2.8) Để điều khiển độ di động, mỗi nút trong lưới ước

đoán thời gian rời khỏi lưới của nó và gửi thông tin này đến nút lân cận Các nútđang không hoạt động điều chỉnh thời gian nghỉ của chúng cho phù hợp để có thểnhận được các thông tin từ các nút lân cận, để định tuyến được chính xác Trướckhi thời gian rời khỏi lưới của các nút đang hoạt động quá hạn, các nút đang nghỉthoát khỏi trạng thái đó và một trong số các nút đó hoạt động trở lại GAF đượctriển khai cho cả những mạng bao gồm các nút không di động (GAF cơ bản) vàmạng bao gồm các nút di động (GAF thích ứng di động)

GAF giữ mạng hoạt động bằng cách giữ cho các nút đại diện luôn ở chế độhoạt động trong mỗi vùng ở lưới ảo của nó Mặc dù GAF là một giao thức dựa trên

vị trí, nó cũng có thể được coi là như một giao thức phân cấp khi mà các cụm dựatrên vị trí địa lý Đối với mỗi vùng lưới xác định, mỗi nút đại điện hoạt động như

một nút chủ để truyền dữ liệu đến các nút khác Tuy nhiên nút chủ này không thựchiện bất cứ một nhiệm vụ hợp nhất hay tập trung dữ liệu nào như trong các giaothức phân cấp thông thường.

Hình 2.8: Sự chuyển trạng thái trong GAF

II.4.3.2 GEAR (Geographic and Energy-Aware Routing)

Giao thức GEAR (Geographic and Energy-Aware Routing) dùng sự nhậnbiết về năng lượng và các phương pháp thông báo thông tin về địa lý tới các nútlân cận Việc định tuyến thông tin theo vùng địa lý rất có ích trong các hệ thốngxác định vị trí, đặc biệt là trong mạng cảm biến Ý tưởng này hạn chế số lượng cácyêu cầu ở Directed Diffusion bằng cách quan tâm đến một vùng xác định hơn làgửi các yêu cầu tới toàn mạng GEAR cải tiến hơn Directed Diffusion ở điểm này

và vì thế dự trữ được nhiều năng lượng hơn

Trong giao thức GEAR, mỗi một nút giữ một estimated cost và một learnedcost trong quá trình đến đích qua các nút lân cận Estimated cost là sự kết hợp củanăng lượng còn dư và khoảng cách đến đích Learned cost là sự cải tiến củaestimated cost giải thích cho việc định tuyến xung quanh các hốc trong mạng Hốcxảy ra khi mà một nút không có bất kì một nút lân cận nào gần hơn so với vùngđích hơn là chính nó Trong trường hợp không có một hốc nào thì estimated costbằng với learned cost Learned cost được truyền ngược lại 1 hop mỗi lần một góiđến đích làm cho việc thiết lập đường cho gói tiếp theo được điều chỉnh

Có 2 giai đoạn trong giải thuật này: http://www.ebook.edu.vn

Chuyển tiếp gói đến vùng đích: GEAR dùng cách tự chọn nút lân cận dựatrên sự nhận biết về năng lượng và vị trí địa lý để định tuyến gói đến vùng đích

Có 2 trường hợp cần quan tâm:

 Khi tồn tại nhiều nút lân cận gần hơn so với đích: GEAR sẽ chọn hoptiếp theo trong số tất cả các nút lân cận gần đích hơn

 Khi mà tất cả các nút đều xa hơn: trong trường hợp này sẽ có một lỗhổng.GEAR chọn hop tiếp theo mà làm tối thiểu giá chi phí của nút lân cận này.Trong trường hợp này, một trong số các nút lân cận được chọn để chuyển tiếp góidựa trên learned cost Lựa chọn này có thể được cập nhật sau theo sự hội tụ củalearned cost trong suốt quá trình truyền gói

Chuyển tiếp gói trong vùng: Nếu gói được chuyển đến vùng, nó có thểtruyền dữ liệu trong vùng đó bằng cách chuyển tiếp địa lý đệ quy Ở những mạng

có mật độ sensor cao, người ta chia thành 4 vùng nhỏ và tạo ra 4 bản copy của gói

đó Quá trình chuyển tiếp và chia nhỏ này được tiếp tục cho đến khi trong vùng chỉ

còn 1 nút (hình 2.9).

Để thỏa mãn các điều kiện chúng ta dùng giải thuật chuyển tiếp địa lý đệqui để truyền gói trong vùng này Tuy nhiên, với những vùng mật độ thấp, chuyểntiếp địa lý đệ quy đôi khi không hoàn thành, định tuyến vô tác dụng trong mộtvùng đích rỗng trước khi số hop gói đi qua vượt quá giới hạn

Hình 2.9: Chuyển tiếp địa lý đệ quy trong GEAR