Một mạng cảm biến không dây là một mạng bao gồm nhiều nút cảm biến nhỏ có giá thành thấp, và tiêu thụ năng lượng ít, giao tiếp thông qua các kết nối không dây, có nhiệm vụ ảm nhận, đo đạ
Giớ i thi u chung v m ng c m bi n 10 ệ ề ạ ả ế 1.1 Khái ni ệ m m ạ ng c m bi n 10 ảế 1.2 C u trúc m ng c m bi n 10 ấạảế 1.2.1 Đặc điể m c a m ng c m bi n 10 ủạảế 1.2.2 C u trúc m ng c m bi n 12 ấạảế 1.2.3 Ki ế n trúc giao th ứ c m ạ ng
Các c ấu trúc đ c trưng c ặ ủ a m ạ ng c m bi ả ế n
Trong cấu trúc phẳng, tất cả các nút đều ngang hàng và đồng nhất về hình dạng cũng như chức năng Các nút giao tiếp với sink thông qua multihop, sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng Với phạm vi truyền cố định, các nút gần sink hơn sẽ đảm nhận vai trò của bộ tiếp sóng cho một lượng lớn nguồn Giả thiết rằng tất cả các nguồn đều sử dụng cùng một tần số để truyền dữ liệu, điều này cho phép chia sẻ thời gian Tuy nhiên, phương pháp này chỉ hiệu quả khi có nguồn chia sẻ đơn lẻ, chẳng hạn như thời gian, tần số, v.v.
Hình 1.4 C ấ u trúc ph ẳ ng c ủ a m ạ ng c ả m bi ế n 1.2.4.2 C ấ u trúc t ầ ng
Trong kiến trúc tầng (tiered architecture), các cụm tài nguyên được tổ chức để tối ưu hóa việc truy cập dữ liệu Các cụm này có thể hỗ trợ việc truyền tải dữ liệu theo phương thức single hop hoặc multihop, tùy thuộc vào kích thước của cụm Nút chủ, thường được gọi là nút định sẵn, là điểm trung tâm để quản lý và phân phối dữ liệu trong cấu trúc này.
17 head) Trong c u trúc ấ này các nút tạo thành m t h th ng c p bộ ệ ố ấ ậc mà ở đó mỗi nút ở m t mộ ức xác định th c hi n các nhi m v ự ệ ệ ụ đã định s n ẵ
Hình 1 5 C ấ u trúc t ầ ng c a m ủ ạ ng c m bi n ả ế i
Trong cấu trúc tầng, chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu không đồng đều giữa các nút Các chức năng này được phân chia theo cấp bậc: cấp thấp nhất thực hiện nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa đảm nhận tính toán, và cấp trên cùng thực hiện phân phối dữ liệu.
Hình 1 6 C ấ u t rúc m ạ ng phân c ấ p theo ch ức năng lớ p
1.2.4.3 L a ch ự ọ n c ấ u trúc cho m ạ ng c ả m bi n ế
Mỗi cấu trúc mạng đều có nhược điểm riêng, nhưng việc lựa chọn cấu trúc mạng tối ưu là rất quan trọng Mạng có khả năng ứng dụng xây dựng theo cấu trúc tương hỗ sẽ hoạt động hiệu quả hơn so với cấu trúc phân cấp, nhờ vào những lý do như tính linh hoạt, khả năng mở rộng và khả năng xử lý thông tin nhanh chóng.
Cấu trúc mạng có thể giảm chi phí bằng cách định vị các tài nguyên ở vị trí hoạt động hiệu quả nhất Nếu triển khai phần cứng thống nhất, mỗi nút chỉ cần một lượng tài nguyên tối thiểu để thực hiện các nhiệm vụ Số lượng nút cần thiết phụ thuộc vào vùng phủ sóng xác định, từ đó giảm chi phí toàn mạng Nếu chỉ định nhiều nút có chi phí thấp cho nhiệm vụ bảo mật, trong khi một số lượng nhỏ hơn các nút có chi phí cao hơn được sử dụng để phân tích dữ liệu, định vị và đồng bộ thời gian, chi phí cho toàn mạng sẽ giảm đáng kể.
Về độ tin cậy của mạng cảm ứng, mỗi mạng cần đảm bảo rằng số lượng nút đáp ứng yêu cầu về băng thông và thời gian sống Đối với mạng cấu trúc phẳng, thông lượng tối ưu của mỗi nút trong mạng đã được xác định thông qua phân tích, với công thức δ=( .
• W là độ ộng băng tầ r n c a kênh chia s ủ ẻ
• n là s ng node mố lượ ạng m gi 0
Do đó khi kích cỡ ạng tăng lên thì thông lượng của mỗi nút sẽ ảm về
Nghiên cứu các mạng cấu trúc tầng mở ra nhiều triển vọng trong việc giải quyết vấn đề giao tiếp Một phương pháp tiềm năng là sử dụng một kênh đơn lẻ trong cấu trúc phân cấp, nơi các nút ở cấp thấp hơn tạo thành một cụm xung quanh tâm gốc Mỗi nút trong cụm này đóng vai trò như cầu nối với các cấp cao hơn, đảm bảo việc giao tiếp trong mạng thông qua các bộ phận hữu tuyến Tóm lại, việc tương thích giữa các chức năng trong mạng có thể đạt được khi áp dụng cấu trúc tầng Đặc biệt, nghiên cứu đang tập trung vào các tiện ích tìm địa chỉ, cho phép phân phối chức năng này đến mọi nút hoặc một tập con của các nút Giả thiết rằng các nút không cố định và địa chỉ thay đổi định kỳ, sự cân bằng giữa các lựa chọn này phụ thuộc vào tần suất cập nhật và tìm kiếm Hiện nay, có nhiều mô hình tìm kiếm địa chỉ trong mạng cấu trúc tầng đang được phát triển.
Mạng cảm biến không dây được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm cảm biến động đất, cảm biến từ trường với tốc độ mẫu thấp, cảm biến thị giác, cảm biến hồng ngoại, cảm biến âm thanh và radar Công nghệ này cho phép quan sát một vùng rộng lớn với nhiều điều kiện xung quanh đa dạng.
• S có m t hay v ng m t mự ặ ắ ặ ột đối tượng nào đó
• Mức ứng suất trên các đối tượng b g n ị ắ
• Đặc tính hi n tệ ại như tốc độ, chiều và kích thước của đối tượng d c
Các nút cảm biến có khả năng hoạt động liên tục hoặc phát hiện sự kiện, cho phép nhận dạng sự kiện, cảm biến vị trí và điều khiển cục bộ các bộ phận phát động Khái niệm về việc cảm biến và kết nối không dây của những nút này đã mở ra nhiều ứng dụng mới Các ứng dụng này được áp dụng trong quân đội, môi trường, sức khỏe, gia đình và nhiều lĩnh vực thương mại khác.
1.3.1 Ứ ng d ụng trong quân độ i
Mạng cảm biến không dây đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điều khiển quân đội, giám sát, giao tiếp và trinh sát, nhờ vào khả năng triển khai nhanh và tính năng tự tổ chức Với chi phí thấp và khả năng hoạt động hiệu quả dù một số nút bị phá hủy, mạng cảm biến là giải pháp lý tưởng cho chiến trường Các ứng dụng quân sự của mạng cảm biến bao gồm quan sát lực lượng, theo dõi trang thiết bị, đánh giá mức độ nguy hiểm của chiến trường và phát hiện các cuộc tấn công hóa học, sinh học, hạt nhân.
Giám sát lực lượng, trang thiết bị và đạn dược là nhiệm vụ quan trọng của các lãnh đạo và sĩ quan quân đội Họ cần theo dõi liên tục tình trạng lực lượng, điều kiện và sự sẵn có của thiết bị và đạn dược trên chiến trường thông qua các hệ thống cảm biến Quân đội, xe cộ, trang thiết bị và đạn dược được kết nối với các thiết bị cảm biến để có thể thông báo về tình trạng hiện tại Những bản báo cáo này được tập hợp tại các nút sink để gửi đến lãnh đạo trong quân đội, đồng thời dữ liệu cũng có thể được chuyển tiếp đến các cấp cao hơn.
Hình 1 7 Nút c ả m bi ến đượ c g ắn lên mũ
Giám sát chiến trường là quá trình quan trọng để theo dõi địa hình hiểm trở, các tuyến đường, đường mòn và những chỗ eo hẹp, giúp nhanh chóng bao vây và kiểm soát tình hình Việc nắm bắt các hoạt động của quân địch cho phép triển khai kế hoạch tác chiến mới và thiết lập mạng lưới giám sát hiệu quả bất cứ lúc nào trong quá trình chiến đấu.
Giám sát địa hình và lực lượng quân địch là rất quan trọng trong chiến lược quân sự Mạng cảm biến có thể được triển khai tại các địa điểm then chốt và những khu vực quan trọng Các nút cảm biến cần nhanh chóng thu thập và gửi dữ liệu về trong vòng vài phút trước khi quân địch phát hiện và có thể phản ứng.
Ứ ng d ng c ụ ủ a m ạ ng c m bi n 19 ả ế 1 Ứ ng d ụng trong quân độ i
Đánh giá mức độ nguy hiểm của chiến trường có thể được thực hiện trước và sau khi tấn công Việc triển khai mạng cảm biến tại các khu vực mục tiêu giúp thu thập thông tin chính xác về tình hình an ninh và mức độ nguy hiểm hiện tại.
Phát hiện và thăm dò các vụ tấn công bằng hóa học, sinh học và hạ nhân là rất quan trọng trong bối cảnh các cuộc chiến tranh hóa học và sinh học đang gia tăng Việc xác định kịp thời và chính xác các tác nhân này là điều cần thiết Mạng cảm biến triển khai tại những khu vực có nguy cơ cao có thể cung cấp thông tin quan trọng, giúp cảnh báo về các mối đe dọa sinh học và hóa học, từ đó giảm thiểu thương vong nghiêm trọng.
1.3.2 Ứ ng d ụng trong môi trườ ng
Mạng cảm biến có nhiều ứng dụng môi trường quan trọng, bao gồm theo dõi sự di cư của các loài chim, động vật nhỏ và côn trùng Chúng cũng giúp giám sát điều kiện môi trường ảnh hưởng đến mùa màng, vật nuôi và việc tưới tiêu Ngoài ra, mạng cảm biến hỗ trợ quan sát địa hình, thăm dò hành tinh, phát hiện sinh hóa, nông nghiệp chính xác và theo dõi môi trường biển Các ứng dụng khác bao gồm phát hiện cháy rừng, nghiên cứu khí tượng học, địa lý, phát hiện lũ lụt, và phân tích sự phức tạp sinh học của môi trường, cũng như nghiên cứu ô nhiễm.
Phát hiện cháy rừng có thể được cải thiện thông qua việc triển khai các nút cảm biến một cách ngẫu nhiên và chiến lược với mật độ cao trong rừng Các nút cảm biến này sẽ phát hiện nguồn gốc của lửa và thông báo cho người sử dụng trước khi lửa lan rộng không kiểm soát Hàng triệu nút cảm biến có thể được tích hợp sử dụng hệ thống tần số không dây hoặc quang học Ngoài ra, chúng có thể được trang bị nguồn năng lượng hiệu quả như pin mặt trời, giúp duy trì hoạt động trong thời gian dài mà không cần bảo trì Các nút cảm biến sẽ hợp tác với nhau để thực hiện cảm biến phân bố và khắc phục khó khăn do các chướng ngại vật như cây cối và đá gây ra, ảnh hưởng đến khả năng quan sát của cảm biến.
Hình 1 8 Ứ ng d ụ ng m ạ ng c ả m bi ến trong môi trườ ng th i
Phát hiện lũ lụt: một ví dụ đó là hệ ống báo động được triển khai tạ
Mỹ đã triển khai một số loại cảm biến trong hệ thống giám sát lượng mưa, mức nước và thời tiết Những cảm biến này cung cấp thông tin quan trọng để tập trung vào hệ thống cơ sở dữ liệu đã được định nghĩa trước đó.
1.3.3 Ứ ng d ụng trong chăm sóc sứ c kh e ỏ
Các ứng dụng của mạng cảm biến trong lĩnh vực sức khỏe bao gồm giám sát bệnh nhân, quản lý triệu chứng và thuốc trong bệnh viện, cũng như theo dõi sự chuyển động của các động vật Mỗi bệnh nhân được gắn một nút cảm biến nhỏ, với từng nút đảm nhiệm nhiệm vụ riêng, chẳng hạn như đo nhịp tim hoặc phát hiện áp suất máu Điều này giúp bác sĩ theo dõi và kiểm tra tình trạng sức khỏe của bệnh nhân một cách hiệu quả.
24 mang nút cảm biến để cho các bác sĩ khác xác định được vị trí của họ trong bệnh vi n ệ
1.3.4 Ứ ng d ụ ng trong giao thông u
Cảm biến trong ô tô giúp người dùng điều khiển phương tiện và tương tác với các phương tiện giao thông khác Chúng cũng tương tác với đường và biển báo, đảm bảo an toàn khi di chuyển, giảm thiểu tai nạn giao thông và cải thiện việc điều khiển lưu thông hiệu quả hơn.
Hình 1 10 Ứ ng d ụ ng trong giao thông
Chương 2 Các giao th ứ c đ c trưng trong m ặ ạ ng c ả m bi ế n
Chương này sẽ trình bày v các giao thề ức đặc trưng được s d ng trong ử ụ m ng c m bi n bao g m hai giao th ạ ả ế ồ ức:
• Giao thức đồng b th i gian ộ ờ
2.1 Giao th ức đồ ng b ộ th i gian ờ
2.1.1 Khái ni ệm đồ ng b ộ ờ th i gian Đồng b thộ ời gian là phương thức cho phép các th c th riêng bi t ự ể ệ trong m t ộ nhóm đồng bộ ớ v i xung đồng h cồ ủa chúng hoặc đồng b vộ ới th i gian ờ toàn c u phầ ối hợp (UTC)
2.1.2 T i sao c ạ ầ n đ ồ ng b ộ ờ th i gian trong m ạ ng c ả m bi ế n
Thời gian đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng và giao thức của mạng cảm biến, nơi các nút sử dụng xung đồng hồ cục bộ từ các bộ dao động để đo thời gian Tuy nhiên, nhiều nguyên nhân khác nhau có thể dẫn đến hiện tượng trôi tần số của bộ dao động, khiến thời gian cục bộ của các nút trở nên sai khác, làm mất đi sự đồng bộ trong mạng Do đó, việc đồng bộ thời gian là rất cần thiết cho hoạt động hiệu quả của mạng cảm biến Các nguyên nhân chính gây ra sự cần thiết phải đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến bao gồm:
• Mạng cảm biến cần liên kết với thế ớ gi i thực để biết khi nào một hiện tượng x y ra ả
Nhiệm vụ chính của mạng cảm biến là tích hợp dữ liệu, vì vậy việc thiết lập đồ liên kết giữa các nút là cần thiết để đảm bảo việc truyền dữ liệu hiệu quả đến sink.
• M t vài giao th c yêu cộ ứ ầu đồng b thộ ời gian: quản lý c u hình m ng ấ ạ
Các nút cảm biến thường có kích thước nhỏ và giá thành thấp, dẫn đến độ chính xác của bộ dao động không cao Hơn nữa, chúng thường bị giới hạn về năng lượng, do đó thường có chế độ ngủ để tiết kiệm năng lượng.
2.1.3 S ự chính xác c ủa đồ ng h trong các nút c m bi ồ ả ế n
Hầu hết các thiết bị đồng hồ, bao gồm cả nút cảm biến và máy tính, có cấu tạo tương tự nhau Mỗi nút được trang bị một bộ dao động hoạt động ở tần số xác
Bộ dao động thường có độ trôi tần số, tức là sự dịch chuyển ngẫu nhiên so với tần số danh nghĩa, hay còn gọi là độ lệch đồng hồ Điều này phụ thuộc vào sự không đồng nhất của tinh thể, cũng như các điều kiện môi trường như áp suất và nhiệt độ Do đó, việc triển khai mạng cảm biến trên thực địa sẽ khác nhiều so với trong phòng thí nghiệm Độ lệch đồng hồ được đo bằng ppm (parts per million), cung cấp con số về sự dao động thêm vào hoặc số dao động bị mất mà đồng hồ tạo ra trong lượng thời gian cần cho 1 triệu dao động ở mức độ danh nghĩa.
T n s ầ ố dao động thay đổi theo th i gian Có 2 kiờ ểu thay đổi:
• Thay đổi ng n hắ ạn: do thay đổi nhiệt độ, do thay đổi trong điện áp ngu n cung ồ c p, áp suấ ất không khí…
• Thay đổi dài h n: do s lão hóa c a các b ạ ự ủ ộ dao động i
Người ta thường cho rằng tần số của các bộ dao động là ổn định trong khoảng thời gian từ vài phút đến vài chục phút Điều này cho thấy rằng các thuật toán đồng bộ thời gian phải hoạt động hiệu quả trong khoảng thời gian này để theo kịp sự thay đổi của tín hiệu Vì vậy, việc thiết lập giao thức đồng bộ thời gian là rất cần thiết.
2.1.4 Các yêu c ầ u trong thi t k giao th ế ế ức đồ ng b ộ ờ th i gian trong m ạ ng c ả m bi ế n
Dưới đây là mộ ốt s yêu c u trong thi t k giao thầ ế ế ức đồng b th i gian ộ ờ trong m ng c m bi n:ạ ả ế
Thuật toán cần được thiết kế để phù hợp với mạng mutilhop rộng lớn, nơi mà các nút có giới hạn về khả năng năng lượng Yêu cầu về phạm vi phải bao gồm cả sự phân bố và khả năng hoạt động của các nút trong mạng.
• Yêu cầu v chính xác có th ề độ ể thay đổi khác nhau t ừ mili giây cho đến vài giây
• Không sử ụ d ng thêm ph n c ng ch giành cho mầ ứ ỉ ục đích đồng b vì t n chi phí ộ ố và năng lượng thêm vào cho ph n ph ầ ụ đó.
• Mức độ di động là rất thấp
• Hầu như không có giới hạn trên cố định về ễ tr truyền gói vì phụ thuộc lớp MAC, l i các gói, và truy n l i ỗ ề ạ
• Tr truy n giễ ề ữa hai nút hàng xóm là không đáng kể
2.1.5 Phân lo i giao th ạ ức đồ ng b ộ ờ th i gian trong m ạ ng c ả m bi ế n
2.1.5.1 Giao th ức đồ ng b ộ ữ gi a bên nh ậ n và bên phát
Giao th ứ c v ị trí
2.2.1 M ục đích sử ụ d ng giao th ứ c v ị trí
Việc xác định vị trí trong thị trường tự nhiên của các nút trong mạng cảm biến là rất cần thiết, vì nó ảnh hưởng đến mục đích của mạng cảm biến Chẳng hạn, trong ứng dụng quan sát môi trường và khí tượng học, dữ liệu sẽ không có ý nghĩa nếu không được đánh dấu thời gian và vị trí Tương tự, các ứng dụng như theo dõi việc đóng gói hàng, lưu trữ trong thư viện và theo dõi vị trí cũng cần xác định vị trí của các nút cảm biến Thêm vào đó, thông tin về vị trí cũng rất quan trọng trong một số giao thức định tuyến, đặc biệt là định tuyến dựa vào vị trí.
Trong mạng cảm biến, có một số lượng rất lớn các nút được triển khai một cách ngẫu nhiên trong khu vực quan sát, khiến việc xác định vị trí tuyệt đối của một nút trở nên rất khó Trang bị thiết bị GPS cho các nút là một giải pháp, tuy nhiên cách này không khả thi đối với mạng cảm biến vì GPS tương đối đắt và không thể hoạt động trong môi trường đặc biệt như trong nhà, dưới lòng đất.
2.2.2 Phân lo i giao th ạ ứ c v ị trí
Phương pháp này giả sửnhư sau:
• Có một vài con c m biả ến đã biết vị trí
• Những nút này s gẽ ửi tín hiệu m c(dố ẫn đường) theo chu kỳ
• Các nút khác sẽđo tín hiệu này, sử ụ d ng phép đo tam giác , đa trễ để đánh giá vị trí
• RSSI (Receiver Signal Strength Indicator ) được dùng đểxác định sựtương quan tín hiệu với khoảng cách
Hệ thống định vị ad hoc (AHLoS) yêu cầu một số nút phải xác định vị trí thông qua GPS hoặc cấu hình điều khiển Quá trình xác định vị trí diễn ra qua hai pha: xếp loại và ước đoán Trong pha xếp loại, mỗi nút ước lượng phạm vi của các nút lân cận Pha ước đoán sau đó cho phép các nút lân cận chưa xác định được vị trí sử dụng phạm vi ước lượng từ pha xếp loại cùng với vị trí của các vật mốc để xác định vị trí của chúng.
Phương pháp này chỉ phù hợp với tín hiệu RF và có độ nhạy thấp đối với vật cản, nhiễu đa đường, cũng như ảnh hưởng của môi trường như mưa Tín hiệu RF yêu cầu phạm vi tối thiểu khoảng vài chục mét Ngoài ra, người ta còn sử dụng kết hợp giữa RF và sóng siêu âm, với nút mốc truyền tín hiệu RF và sóng siêu âm được thu nhận Thời gian phản hồi khác nhau giữa hai tín hiệu này được sử dụng để đo khoảng cách, với phạm vi lên tới 3 mét và độ chính xác đạt 2 cm.
Phương pháp giả định dựa trên dấu hiệu của cột mốc ở những vị trí đã biết thường gặp khó khăn trong việc xác định vị trí khi các nút cảm ứng triển khai trong các vùng khó xác định Hiện nay, các nhà khoa học đang nghiên cứu về tự định vị, sử dụng các nguồn tín hiệu từ những vị trí chưa biết Mặc dù các vật mốc cần ở vị trí cố định, chúng vẫn phải có nguồn tín hiệu, được triển khai trong cùng một vùng với các nút cảm ứng, nhằm làm chuẩn cho các nút lân cận để ước đoán vị trí và hướng của từng nguồn tín hiệu Nghiên cứu của Moses và Savvides dựa trên các nguồn tín hiệu, trong khi các công trình khác ước đoán vị trí của các nút bằng cách xem xét các vấn đề về ước đoán vị trí và tối ưu hóa, với những ràng buộc về vị trí giữa hai nút, như phạm vi phủ sóng Ngoài ra, Patwari và các đồng nghiệp đã xác định chính xác ranh giới của vị trí cảm biến dựa trên thời gian đến của tín hiệu từ các trạm gốc cố định.
2.2.2.2 Đị nh v ị ự d a vào v ị trí tương đố i
Mặc dù các giao thức định vị dựa trên vệ tinh rất hiệu quả cho một số ứng dụng, nhưng một số ứng dụng khác có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như nhiễu môi trường và sai số khi điều khiển Các nút cảm ứng thường gặp phải vấn đề với chế độ không tuyến tính hoặc nhiễu không tuân theo phân bố Gaussian Để khắc phục những khó khăn này, thông tin vùng cần được truyền tải từ nguồn đến nút đích một cách chính xác Các nút cảm ứng phải hợp tác để cải thiện độ chính xác của thông tin Hơn nữa, năng lực truyền tải có thể được nâng cao bằng cách cho phép các nút cảm ứng dò tìm vị trí của các nút lân cận.
Here is the rewritten paragraph:Kỹ thuật xác định vị trí tương đối được nghiên cứu kỹ hơn trong cơ cấu vị trí thụ cảm (perceptive localization framework - PLF), cho phép một nút phát hiện và dò theo vị trí của các nút lân cận bằng cách dùng kỹ thuật ước đoán kết hợp với một bộ lọc từng phần được ghép vào một dãy các sensor Để tăng độ chính xác của việc ước lượng vị trí, sink có thể yêu cầu các nút điều chỉnh theo đường tuyến tính, tăng số lượng vật mẫu và không yêu cầu bất kỳ vật mốc nào Hơn nữa, phần xử lý trung tâm không cần phải quy định định vị trí của các nguồn.
Dù sử dụng giao thức định vị dựa trên vật mốc hay vị trí tương đối, thông tin vùng đều cần thiết trong các giao thức lớp vận chuyển, lớp mạng và lớp liên kết dữ liệu Mỗi loại giao thức định vị có những yêu cầu riêng biệt Các ứng dụng mạng cảm ứng trong tương lai sẽ kết hợp các kỹ thuật định vị này.
2.3 K t lu n ế ậ tChương này chỉ ập trung vào trình bày hai giao thức tiêu biểu nhất và đáp ng đưứ ợc các yêu cầu riêng biệt của mạng cảm ứng là xác định vị trí và đồng bộ
Trong lĩnh vực mạng cảm biến, có nhiều giao thức khác nhau, nhưng hai giao thức quan trọng nhất mà mọi người cần tìm hiểu là giao thức lớp ứng dụng và lớp MAC Do thời gian hạn chế, chúng tôi chỉ đề cập đến hai giao thức này Hiện nay, các nhà nghiên cứu đã đưa ra nhiều cải tiến cho hai giao thức này để phù hợp hơn với thực tiễn.
Chương 3 Đị nh tuy n trong m ng c m bi ế ạ ả ế n t p trung trình bày các thách th nh tuy n trong m ng c m
Chương này sẽ ậ ức đị ế ạ ả bi n và các giao th c trong m ng c m bi ế ứ ạ ả ến:
• Định tuy n trung tâm d li u ế ữ ệ
3.1 Các thách th ức trong đị nh tuy ế n m ạ ng không dây
Chính vì những đ c điặ ểm riêng biệt của mạng cảm biến mà việc định tuy n trong mế ạng cảm biến phải đối mặt với rất nhi u thách th c sau: ề ứ
Mạng cảm biến có số lượng nút lớn, do đó việc xây dựng sơ đồ địa chỉ toàn cục cho vị trí khai thác là không khả thi, bởi lượng băng thông cần thiết để duy trì ID quá cao.
• D ữliệu trong mạng cảm biến yêu cầu cảm nhận từ nhiều nguồn khác nhau và truyền đến sink
• Các nút cảm bi n b ràng bu c khá ch t ch v mế ị ộ ặ ẽ ề ặt năng lượng, tốc độ ử x lý, lưu trữ
• Hầu hết trong các ứng dụng mạng cảm biến các nút nói chung là tĩnh sau khi được tri n khai ngoể ại trừ ộ m t vài nút có thể di động
• Mạng cảm biến là những ứng d ng riêng biụ ệt
• Việc nh n biậ ết v trí là vị ấn đề ấ r t quan tr ng vì viọ ệc tập h p dợ ữ liệu thông thường dựa trên vịtrí
Khả năng dư thừa dữliệu rất cao vì các nút cảm biến thu lượm dữ li u ệ dựa trên hiện tượng chung
3.2 Các v ấ n đ ề trong thi ế t k ế ạng đị m nh tuy ế n không dây
3.2.1 Đặc tính thay đổi thời gian và tr t tậ ự sắp xếp của mạng.
Các nút cảm biến hoạt động với khả năng tính toán, lưu trữ và truyền dẫn dữ liệu trong điều kiện năng lượng hạn chế Tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể, hiệu suất và yêu cầu năng lượng sẽ có sự khác biệt.
Mật độ các nút cảm biến trong mạng có thể thay đổi từ thưa đến rất dày, với số lượng nút có thể lên đến hàng trăm hoặc thậm chí hàng ngàn Các nút này thường không được giám sát và bao phủ một vùng rộng lớn Đặc tính của các cảm biến là có tính thích nghi động và cao, nhằm đáp ứng nhu cầu tối ưu hóa và bảo toàn năng lượng Điều này buộc các nút cảm biến phải điều chỉnh liên tục để thích ứng với hoạt động hiện tại.
Các nút cảm biến được thiết kế với độ phức tạp cao nhằm khai thác hiệu quả trong phạm vi lớn, giúp giảm chi phí toàn mạng Năng lượng là mối quan tâm chính trong mạng cảm biến không dây, và việc kéo dài thời gian sống của các nút trong điều kiện hạn chế về năng lượng dự trữ là rất quan trọng Truyền gói mutilhop là nguồn tiêu thụ năng lượng chính trong mạng, do đó, việc giảm tiêu thụ năng lượng có thể đạt được thông qua việc điều chỉnh tự động chu kỳ công suất của mạng cảm biến Tuy nhiên, quản lý năng lượng vẫn là một thách thức chiến lược trong nhiều ứng dụng quan trọng.
3.2.3 Mô hình d ữ ệ li u trong m ng c ạ ả m bi n ế
Mô hình dữ liệu mô tả luồng thông tin giữa các nút cảm biến và các sink, phụ thuộc vào bản chất cụ thể của ứng dụng, cũng như cách dữ liệu được yêu cầu và sử dụng Một số mô hình dữ liệu được đề xuất nhằm tập trung vào yêu cầu tương tác và nhu cầu tập hợp dữ liệu từ nhiều ứng dụng đa dạng.
Phân lo ạ i các giao th ứ c đ ị nh tuy ế n
Vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến là một thách thức lớn, yêu cầu cân bằng giữa tốc độ phản hồi nhanh và hiệu quả hoạt động Cân bằng này cần thiết phải phù hợp với khả năng tính toán và truyền dẫn của các nút cảm biến, đồng thời thích ứng với các điều kiện khác nhau Trong mạng cảm biến không dây, các yếu tố như băng thông sử dụng, tiêu thụ năng lượng và yêu cầu xử lý của các nút di động đều ảnh hưởng đến hiệu suất mạng Việc tìm ra chiến lược cân bằng giữa các yếu tố cạnh tranh này là cần thiết để xây dựng một nền tảng vững chắc cho các chiến lược định tuyến hiệu quả.
Việc thiết kế các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây cần xem xét giới hạn về công suất và tài nguyên của mỗi nút mạng, cũng như chất lượng thay đổi theo thời gian của các kênh vô tuyến Điều này ảnh hưởng đến khả năng mất gói và độ tin cậy của mạng Dựa vào những yêu cầu thiết kế này, một số chiến lược định tuyến trong mạng cảm biến đã được phát triển.
Bảng 3.1 phân loại một số giao thức dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau Một loại giao thức định tuyến thông qua kiến trúc phẳng, trong đó các nút có vai trò tương đương Kiến trúc phẳng mang lại một số lợi ích như khả năng tối ưu hóa băng thông và giảm thiểu chi phí duy trì cơ sở hạ tầng, đồng thời có khả năng khám phá nhiều đường dẫn giữa các nút truyền dẫn để chống lại lỗi.
Phân cấp theo cụm là một phương pháp tối ưu hóa hiệu suất mạng bằng cách tổ chức các nút thành các cụm, trong đó một nút chủ có năng lượng cao hơn các nút khác Nút chủ có nhiệm vụ điều phối hoạt động trong cụm và truyền thông tin giữa các cụm Việc hình thành các cụm này giúp giảm tiêu thụ năng lượng và kéo dài thời gian hoạt động của mạng.
Giao thức định tuyến thứ ba sử dụng phương pháp trung tâm dữ liệu để phân bố sự quan tâm trong mạng Phương pháp này dựa trên thuộc tính tên, cho phép nút nguồn truy vấn thuộc tính của hiện tượng thay vì truy vấn từ một nút riêng lẻ.
B ng 3.1 Phân lo i và so sánh các giao thả ạ ức định tuy n trong mế ạng cảm bi n ế
Giao th ứ c ch ọ n đư ờ ng
Giao th ứ c trung tâm d ữ li ệ u
QoS Độ ph ứ c t ạ p c ủ a tr ạ ng thái
Kh ả năng đị nh c ỡ Đa đườ ng
Có th ể Có Có K K Th ấ p H ạ n ch ế
Có Có Có K Th ấ p H ạ n ch ế
K Có Có K Nút ch ủ nhóm
K Có Có K Nút ch ủ nhóm
K Có Có K Có Trung bình
Phân phối quan tâm trong toàn mạng được thực hiện bằng cách gán nhiệm vụ cho các nút mạng và nhận diện thông qua các câu hỏi liên quan đến các thuộc tính riêng Một giao thức khác có thể truyền tải quan tâm tới các nút, bao gồm quảng bá và phân phối các thuộc tính độc lập dựa trên multicast và geo-casting.
Giao thức thứ tư sử dụng vị trí để xác định địa chỉ cho các nút cảm biến, rất hữu ích cho những người sử dụng trong những khu vực mà vị trí của các nút cảm biến ảnh hưởng đến vùng địa lý được bao phủ Giao thức này liên quan chặt chẽ đến các truy vấn được gửi từ nút nguồn.
Giao th ứ c trung tâm d ữ li ệ u
Flooding là kỹ thuật chung thư ng đườ ợc sử ụng đ tìm ra đưể ờng và truyền thông tin trong mạng adhoc vô tuyến và hữu tuy n.ế n
Chiến lược định tuyến này đơn giản và không phụ thuộc vào cấu hình mạng cũng như các giải thuật định tuyến phức tạp Flood sử dụng phương pháp reactive, cho phép mỗi nút nhận và điều khiển dữ liệu để gửi gói tới các nút lân cận Sau khi truyền, một gói sẽ được gửi trên tất cả các đường có thể Trừ khi mạng bị ngắt, gói sẽ được truyền đến đích.
Hình 3 2 Truy ề n gói trong Flooding truy ng
Khi cấu hình mạng thay đổi, các gói dữ liệu sẽ được chuyển theo những tuyến đường mới, dẫn đến việc tạo ra vô hạn bản sao của mỗi gói khi chúng đi qua các nút trong mạng.
Thuật toán này gặp phải ba nhược điểm chính: đầu tiên là hiện tượng bùng nổ thông tin, khi mà hai gói dữ liệu giống nhau được gửi đến cùng một nút Thứ hai là hiện tượng chồng chéo, tức là các nút cảm nhận cùng một vùng không gian, dẫn đến việc tạo ra các gói dữ liệu tương tự giữa các nút lân cận Cuối cùng, thuật toán này không xem xét vấn đề năng lượng của các nút, khiến chúng nhanh chóng tiêu hao năng lượng và làm giảm tuổi thọ của mạng lưới.
Một cải tiến nổi bật của giao thức này là thuật toán Gossiping, trong đó mỗi nút sẽ ngẫu nhiên chọn gói tin mà nó nhận được để gửi đến một trong các nút lân cận Thuật toán này giúp giảm số lượng gói tin lan truyền trong mạng và ngăn chặn hiện tượng tin nhắn bị trùng lặp Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là có thể có những gói tin không bao giờ đến được đích.
SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation) là giao thức tối ưu hóa việc truyền thông tin trong mạng cảm biến Mục tiêu chính của giao thức này là tập trung vào việc quan sát môi trường hiệu quả thông qua các nút cảm biến riêng biệt Nguyên lý hoạt động của SPIN dựa trên sự thích ứng tài nguyên và sắp xếp dữ liệu, cho phép các nút biết nội dung dữ liệu trước khi truyền SPIN khai thác tên dữ liệu, giúp các nút kết hợp mô tả dữ liệu (metadata) với dữ liệu mà chúng tạo ra, từ đó thực hiện việc sắp xếp dữ liệu trước khi truyền Nơi nhận dữ liệu có thể thể hiện mối quan tâm đến nội dung dữ liệu bằng cách gửi yêu cầu, đảm bảo rằng dữ liệu chỉ được truyền đến các nút quan tâm Điều này giảm thiểu khả năng bản tin kép và truyền dữ liệu dư thừa, đồng thời loại trừ khả năng chồng lấp thông qua việc sử dụng mô tả dữ liệu để xác định rõ loại dữ liệu mà các nút quan tâm.
Việc tối ưu hóa tài nguyên giúp các nút cảm biến chạy SPIN điều chỉnh theo trạng thái năng lượng hiện tại Mỗi nút có khả năng dò tìm và thích ứng với điều kiện năng lượng xung quanh.
Để quản lý mức tiêu thụ năng lượng hiệu quả, các nút cần theo dõi mức năng lượng trước khi truyền hoặc xử lý dữ liệu Khi mức năng lượng giảm xuống dưới ngưỡng nhất định, các nút này có thể tạm ngừng một số hoạt động như truyền dữ liệu hoặc gửi gói tin Việc thích nghi với tài nguyên này giúp tăng thời gian sống sót của mạng Để thực hiện việc truyền và xử lý dữ liệu, các nút sử dụng giao thức truyền thông dựa trên bản tin.
Hình 3 3 Ba tín hi ệ u b t tay c ắ ủ a SPIN
Hình 3 4 Ho ạ ột đ ng c ủ a SPIN
Hoạt động c a SPIN gủ ồm 6 bư c như Hình 3.4 ớ
Bước 1: ADV đểthông báo dữliệu mới tới các nút
Bước 2: Gửi yêu cầu dữ liệu (REQ) cho các thông tin quan tâm Sau khi nhận được thông báo (ADV), các nút liên quan sẽ gửi REQ để yêu cầu lấy dữ liệu cần thiết.
Bước 3: Bản tin DATA b n tin này th c sả ự ự chứa dữ liệu được cảm biến và kèm theo mào đầu miêu t d li u ả ữ ệ
Here is the rewritten paragraph:"Bước 4: Sau khi nút này nhận dữ liệu, nó sẽ chia sẻ dữ liệu của mình 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 lạ ử ải g i b n tin REQ yêu c u dầ ữ ệ li u
Bước 6: DATA lại được truyền đến các nút mà yêu cầu dữ ệ li u này
Giao thức SPIN có những hạn chế khi nút trung gian không chú ý đến dữ liệu cụ thể nào đó, dẫn đến việc dữ liệu không thể đến được đích mong muốn.
3.4.3 Directed Diffusion Đây là giao thức trung tâm dữ ệ li u đối với việc truyền và phân bổ thông tin trong m ng cạ ảm bi n không dây M c tiêu chính cế ụ ủa phương pháp này là ti t kiế ệm năng lượng để tăng thời gian sống của mạng để đạt được mục tiêu này, giao thức này gi ữ tương tác giữa các nút cảm biến, d a vào viự ệc trao đổi các bản tin, định v trong vùng lân c n m ng S d ng s ị ậ ạ ử ụ ự tương tác về ị v trí nh n th y có t p ậ ấ ậ h p t i thiợ ố ểu các đường truyền dẫn Đ c điặ ểm duy nh t cấ ủa giao thức này là sự kế ợt h p với khảnăng c a nút đểủ có thể tập trung dữ ệ li u đáp ứng truy vấn của sink để tiết kiệm năng lượng
Giao thức này bao gồm bốn thành phần chính: interest (các mối quan tâm của người dùng), data message (các bản tin dữ liệu), gradient và reinforcements Directed diffusion sử dụng mô hình publish and subscribe, trong đó một người kiểm tra (tại sink) mô tả mối quan tâm (interest) bằng một cấp để thu thập tính chất giá trị.
Bảng 3.2 miêu tả ặ c p thuộc tính-giá trị, các nút cảm bi n có khế ảnăng đáp ứng interest này sẽ trả lời kèm theo dữ liệu tương ứng
Here is the rewritten paragraph:"Hoạt động của Directed Diffusion được mô tả như Hình 3.5, trong đó mỗi nút cảm biến tích cực sẽ gửi bản tin interest đến sink theo chu kỳ cho các nút lân cận Sau đó, bản tin này sẽ được truyền qua tất cả các nút trong mạng, thể hiện sự quan tâm đến các dữ liệu được thu thập."
Mục đích chính của việc thăm dò này là kiểm tra khả năng của các nút cảm biến trong việc tìm kiếm dữ liệu tương ứng với các yêu cầu quan tâm (interest) Mỗi nút đều duy trì một bộ nhớ cache để lưu trữ các mục yêu cầu khác nhau, giúp tối ưu hóa quá trình tìm kiếm và truy xuất thông tin.
B ng 3.2 ả Miêu tả Interest sử dụng c p thuặ ộc tính giá trị
C p thu c tính giá tr ặ ộ ị Miêu t ả
Type=Chim ru i ồ Phát hi n v trí c a chim ru i ệ ị ủ ồ
Interval ms Báo cáo s ki n chu k 20ms ự ệ ỳ
Durations Th i gian s ng c a interest ờ ố ủ
Field=[( , ),( , )] Báo cáo t ừcác con cảm bi n trong ế vùng
Mỗi mục trong bộ nhớ cache của interest lưu trữ một interest khác nhau, bao gồm các trường như nhãn thời gian (timestamp), gradient cho mỗi nút lân cận và trường duration Nhãn thời gian ghi lại thời điểm nhận được interest cuối cùng, trong khi gradient lưu trữ thông tin về tốc độ dữ liệu và chiều hướng dữ liệu được gửi đi Giá trị tốc độ dữ liệu được xác định từ thuộc tính khoảng thời gian trong bản tin interest, và trường duration xác định khoảng thời gian tồn tại của interest.
Giao th c phân c p 55 ứ ấ 1 LEACH
Tổng năng lư ng dùng đợ ể truyền dữ liệu trong kiểu truyền trực ti p tế ừ một node đến BS (Hình 3.7a) là:
Tổng năng lư ng dùng đợ ể truyền dữ liệu sử dụng định tuy n LEACH ế (Hình 3.7b) là:
Rõ ràng năng lượng cần truy n bề ằng LEACH ít hơn.
PEGASIS (Power Efficient Gathering in Sensor Information Systems), PEGASIS phân cấp là một họ các giao thức định tuyến và tập trung thông tin trong m ng c m bi n ạ ả ế
Giao thức này giúp kéo dài thời gian sống của mạng cảm biến nhờ tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng và nâng cao hiệu suất năng lượng qua tất cả các nút trong mạng, đồng thời giảm thiểu độ trễ truyền dữ liệu đến điểm thu.
Giao thức này nghiên cứu mô hình mạng bao gồm các nút đồng nhất trải rộng qua một khu vực địa lý Các nút này có khả năng nhận biết vị trí của các nút khác trong mạng và có khả năng điều khiển công suất, bao phủ một vùng tùy ý Ngoài ra, các nút được trang bị thiết bị thu phát sóng hỗ trợ CDMA Nhiệm vụ chính của các nút là thu thập và truyền dữ liệu đến các sink, thường là các trạm cơ sở.
Giải thuật này s dử ụng mô hình c u trúc d ng chuấ ạ ỗi
Dựa trên mô hình này, các nút sẽ giao tiếp với nút hàng xóm gần nhất Cấu trúc chuỗi bắt đầu từ nút xa sink nhất, sau đó các nút mất mạng được thêm dần vào chuỗi, tạo thành một chuỗi lớn hơn, bắt đầu từ nút hàng xóm gần nút cuối nhất Các nút sẽ được gán vào chuỗi theo cách greedy từ nút lân cận gần nhất cho tới các nút còn lại.
59 trong mạng Để xác đ nh đưị ợc nút lân cận gần nhất m i nút sỗ ẽ s dử ụng cư ng đờ ộ tín hiệu đ đo khoể ảng cách tới các nút lân cận của nó Sử dụng d ki n này các nút s ữ ệ ẽ ềđi u chỉnh cường độ tín hiệu sao cho chỉ có nút lân c n g n nhậ ầ ất nghe được
Trong một chuỗi, một nút sẽ được chọn làm nút chủ, có trách nhiệm truyền dữ liệu tới trạm cơ sở Vai trò của nút chủ sẽ thay đổi sau mỗi chu kỳ, được quản lý bởi sink Việc chuyển trạng thái giữa các vòng có thể được kích hoạt bởi tín hiệu công suất cao từ sink Quá trình luân phiên nút chủ giúp đảm bảo công bằng trong tiêu thụ năng lượng giữa các nút trong mạng Tuy nhiên, cần lưu ý rằng sự thay đổi này có thể dẫn đến nút chủ ở xa trạm cơ sở, yêu cầu công suất cao để truyền dữ liệu.
Việc tập trung dữ liệu trong mạng dọc theo chuỗi bắt đầu từ nút leader, nơi dữ liệu được gửi đến nút cuối cùng bên phải của chuỗi Khi nhận tín hiệu, nút này sẽ thu thập dữ liệu và chuyển tiếp đến nút lân cận theo chiều xuôi trong chuỗi Quá trình này tiếp tục cho đến khi dữ liệu được gửi đến nút chủ Cuối cùng, nút chủ sẽ tổng hợp dữ liệu và gửi đến sink.
Mô hình tập trung dữ liệu dạng chuỗi, mặc dù đơn giản, có thể gây ra độ trễ trước khi dữ liệu được truyền đến điểm tiếp nhận Để giảm thiểu độ trễ này, một phương pháp hiệu quả là tập trung dữ liệu song song dọc theo chuỗi Đặc biệt, độ trễ sẽ được cải thiện đáng kể nếu các nút trong hệ thống được trang bị bộ thu phát sử dụng công nghệ CDMA.
PEGASIS là một giải pháp hiệu quả để khắc phục vấn đề về độ trễ do việc hình thành các cụm động trong LEACH, giúp giảm số lần truyền và nhận dữ liệu bằng cách tập hợp thông tin Tuy nhiên, PEGASIS gặp phải vấn đề về độ trễ đường truyền lớn đối với các nút xa trong chuỗi, và nút chính có thể gây ra hiện tượng thắt cổ chai trong quá trình truyền tải dữ liệu.
Giao th ứ c d ự a trên v trí ị
60 tuyến này rất phù hợp với mô hình cảm biến, nơi mà việc tập trung dữ liệu là kỹ thuật hữu ích để giảm thiểu việc truyền bề mặt tin đến trạm cơ sở bằng cách loại bỏ sự dư thừa giữa các gói từ các nguồn khác nhau Loại định tuyến này còn yêu cầu tính toán và lượng băng thông truyền dẫn thấp.
Ta s xem xét m t sẽ ộ ố giao thức định tuy n d a trên vế ự ị trí như sau:
Giải thuật chính xác theo địa lý (GAF) là một phương pháp hiệu quả trong việc tiết kiệm năng lượng cho các mạng ad hoc di động và có thể áp dụng cho mạng cảm biến GAF tận dụng sự dư thừa dữ liệu bằng cách xem các nút con trong mạng là tương đương từ góc độ giao thức lớp trên Nó chia vùng quan sát thành các hình vuông nhỏ, cho phép các nút trong cùng một hình vuông giao tiếp với nhau GAF tiết kiệm năng lượng bằng cách tắt các nút không cần thiết mà không ảnh hưởng đến độ chính xác của định tuyến Bằng cách tạo ra một lưới ảo, mỗi nút sử dụng GPS để xác định vị trí và tương tác với các điểm tương đương trên lưới Sự tương đương này cho phép các nút định vị trong vùng lưới hoạt động ở trạng thái tiết kiệm năng lượng, từ đó gia tăng đáng kể thời gian sống của mạng cảm biến khi số lượng nút gia tăng.
Do đó các nút 2, 3, và 4 là tương đương và 2 trong số 3 nút đó có thể ở ạ tr ng thái nghỉ ngh
Các nút trong GAF chuyển trạng thái từ ỉ sang hoạt động để cân bằng tải Có ba trạng thái chính: phát hiện (discovery) để xác định các nút lân cận, hoạt động (active) để tham gia vào quá trình định tuyến, và nghỉ (sleep) khi sóng bị tắt Sự chuyển trạng thái này được mô tả trong Hình 3.9 Thời gian mà một nút ở trạng thái nghỉ phụ thuộc vào các thông số điều chỉnh trong quá trình định tuyến.
61 động, mỗi nút trong lưới ước đoán thời gian r i khờ ỏi lướ ủi c a nó và g i thông tin ử này đến nút lân c n ậ
Hình 3 8 Ví d ụ ề lướ v i ả o trong GAF
Các nút trong mạng không hoạt động điều chỉnh thời gian nghỉ dựa trên thông tin từ các nút lân cận để đảm bảo định tuyến chính xác Khi thời gian rời khỏi lưới của các nút hoạt động vượt quá hạn, các nút đang nghỉ sẽ thoát khỏi trạng thái đó và một trong số chúng sẽ trở lại hoạt động GAF được triển khai cho cả mạng bao gồm các nút không di động (GAF cơ bản) và mạng có các nút di động (GAF thích ứng di động).
Hình 3 9 S ự chuy ể n tr ạ ng thái trong GAF
GAF cố gắng duy trì hoạt động của các nút đại diện trong mạng để tối ưu hóa hiệu suất Kết quả nghiên cứu cho thấy GAF thực hiện hiệu quả hơn giao thức định tuyến trong mạng ad hoc thông thường, đặc biệt trong việc giảm thiểu tổn thất gói và kéo dài thời gian sống của mạng nhờ tiết kiệm năng lượng Dù GAF là một giao thức dựa trên vị trí, nó cũng có thể được xem như một giao thức phân cấp, nơi các nút trên vị trí địa lý thực hiện vai trò như các nút chủ để truyền dữ liệu Tuy nhiên, các nút này không thực hiện nhiệm vụ tập trung dữ liệu như trong các giao thức phân cấp truyền thống.
Yu et al đã đề xuất việc sử dụng thông tin địa lý để phân phối các yêu cầu đến các khu vực thích hợp, vì các yêu cầu dữ liệu thường chứa các thuộc tính địa lý Giao thức GEAR (Geographic and Energy Aware Routing) tận dụng nhận thức về năng lượng và các phương pháp thông báo thông tin địa lý tới các nút lân cận Việc định tuyến thông tin theo vùng địa lý rất hữu ích trong các hệ thống xác định vị trí, đặc biệt là trong mạng cảm biến Ý tưởng này giúp hạn chế số lượng yêu cầu trong Directed Diffusion bằng cách tập trung vào một khu vực xác định thay vì gửi đi một cách rộng rãi.
63 yêu cầu t i toàn m ng GEAR c i tiớ ạ ả ến hơn Directed Diffusion ở ểđi m này và vì thế d tr ự ữ được nhi u ề năng l ng hơn ượ
Trong giao thức GEAR, mỗi nút lưu trữ một estimated cost và một learned cost để định hướng đến đích qua các nút lân cận Estimated cost là tổng hợp của năng lượng dư và khoảng cách đến đích, trong khi learned cost là sự điều chỉnh của estimated cost nhằm tối ưu hóa việc định tuyến Hố ạ ốc xảy ra khi một nút không tìm thấy nút lân cận nào gần hơn vùng đích so với chính nó Nếu không có nút lân cận nào, estimated cost sẽ bằng learned cost Learned cost được truyền ngược lại sau mỗi lần gửi gói, giúp điều chỉnh thiết lập đường cho gói tiếp theo.
Có 2 pha trong giải thuật này:
GEAR sử dụng phương pháp tự chọn nút lân cận dựa trên nhận thức về năng lượng và vị trí địa lý để định tuyến gói tin đến vùng đích Có hai trường hợp quan trọng cần được xem xét trong quá trình này.
• Khi tồ ạn t i nhiều hơn một nút lân c n gậ ần hơn so với đích: GEAR sẽ ch n hop ọ ti p theo trong s t t cế ố ấ ả các nút lân cận gần đích hơn
Khi tất cả các nút đều xa hơn, sẽ xuất hiện một lỗ ổ hổng GEAR sẽ chọn hop tiếp theo nhằm tối thiểu hóa chi phí của nút lân cận Trong trường hợp này, một trong số các nút lân cận sẽ được chọn để chuyển tiếp gói dựa trên chi phí đã học Lựa chọn này có thể được cập nhật sau theo sự thay đổi của chi
Chuyển tiếp gói trong vùng là một phương pháp hiệu quả để truyền tải dữ liệu, đặc biệt khi gói được chuyển đến khu vực cụ thể Kỹ thuật flooding có giới hạn là lựa chọn tốt cho các mạng có mật độ cảm biến thấp, nhưng trong các mạng có mật độ cao, flooding địa lý đệ quy lại mang lại hiệu quả năng lượng tốt hơn Để tối ưu hóa quá trình này, vùng được chia thành bốn khu vực nhỏ, và từ đó tạo ra bốn bản sao của gói tin Quá trình chuyển tiếp tiếp tục cho đến khi chỉ còn lại một nút trong vùng, như minh họa trong Hình 3.10.
Để thỏa mãn các điều kiện, chúng ta sử dụng giải thuật truyền gói địa lý đệ quy trong vùng này Tuy nhiên, trong những vùng có mật độ thấp, việc chuyển tiếp địa lý đệ quy đôi khi không hiệu quả, dẫn đến tình trạng không tác dụng trong một vùng đích rỗng trước khi số gói đi qua vượt quá giới hạn Trong trường hợp này, chúng ta áp dụng phương pháp flooding có giới hạn.
K t lu n 64 ế ậ Chương 4 Mô phỏ ng PEGASIS b ng Omnetpp 65 ằ 4.1 Gi i thi u v Omnetpp 65 ớệề 4.2 Gi i thi u v PEGASIS 68 ớệề 4.2.1 PEGASIS cơ bả n
Chương này đã tổng kết và đưa ra khá nhiều các giao thức định tuyến
Mỗi giao thức đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và hiện nay đã có nhiều cải tiến cho các loại giao thức này với kết quả tích cực Việc lựa chọn giao thức phù hợp hoàn toàn phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể mà chúng ta triển khai Mặc dù các giải thuật định tuyến hiện tại đã có những tiến bộ trong việc sử dụng hiệu quả năng lượng, các nghiên cứu trong tương lai cần xác định rõ hơn các vấn đề như chất lượng dịch vụ của người dùng và các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian thực.
Chương 4 Mô phỏ ng PEGASIS b ng Omnetpp ằ
OMNeT++ (Objective Modular Network Testbed in C++) là một công cụ mô phỏng mạnh mẽ dành cho người dùng trong môi trường đồ họa, cho phép mô phỏng hoạt động của mạng Mục đích chính của OMNeT++ là mô phỏng các mạng thông tin, nhưng nhờ tính linh hoạt, nó còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác như mô phỏng hệ thống thông tin phức tạp, mạng hàng đợi và kiến trúc phần cứng OMNeT++ cung cấp các thành phần (module) lập trình bằng C++, được kết hợp thành các mô hình lớn hơn thông qua ngôn ngữ NED Giao diện đồ họa của OMNeT++ tương ứng với các mô hình cấu trúc, và phần nhân mô phỏng cùng các module rất dễ dàng tích hợp vào các ứng dụng khác.
Trong OMNeT++, mô hình bao gồm các module lồng nhau với cấu trúc phân cấp, cho phép độ sâu không giới hạn Điều này giúp người dùng biểu diễn các cấu trúc logic của hệ thống thực tế thông qua các cấu trúc mô hình Các module giao tiếp với nhau bằng cách gửi và nhận các message, có thể có cấu trúc phức tạp Các module có thể gửi message theo hai cách: trực tiếp đến địa chỉ nhận hoặc thông qua một đường dẫn đã được định sẵn, sử dụng các cổng và kết nối.
Các module có thể sở hữu các tham số riêng, cho phép chỉnh sửa thuộc tính và biểu diễn topology của mô hình Những module ở cấp độ thấp nhất trong cấu trúc phân cấp sẽ đóng gói các thuộc tính này.
Các module này được coi là các module đơn gi n, và chúng đưả ợc lập trình trong ngôn ngữ C++ bằng cách sử ụ d ng các thư viện mô ph ng ỏ
Cấu trúc phân c p cấ ủa các module
Một mô hình trong OMNeT++ bao gồm các module lồng nhau với cấu trúc phân cấp, cho phép trao đổi thông tin thông qua việc gửi các message Cấu trúc của mô hình có thể được mô tả bằng ngôn ngữ NED của OMNeT++.
Hình 4 1 C ấ u trúc phân c p module trong Omnetpp ấ
Các module trong hệ thống có thể chứa nhiều module con, được gọi là module kết hợp Ngược lại, các module đơn giản chỉ chứa các thuật toán riêng lẻ trong cấu trúc phân cấp Những module đơn giản này thường được triển khai bằng ngôn ngữ C++, sử dụng các thư viện mô phỏng của OMNeT++.
Các module trao đổi thông tin thông qua việc gửi các message, thường ở dạng khung (frame) hoặc gói tin (packet) trong mạng Các message này có cấu trúc phức tạp và có thể được gửi trực tiếp đến vị trí nhận hoặc theo một đường dẫn định sẵn thông qua các cổng và liên kết.
Thời gian mô phỏng địa phương của một module tăng lên khi nó nhận được một message, có thể từ module khác hoặc từ chính nó (self-message) để thực hiện bộ định thời Cổng (gate) là các giao tiếp vào ra của module.
Thông điệp được truyền tải qua các cổng ra và nhận vào thông qua các cổng vào Mỗi kết nối, hay còn gọi là liên kết, được thiết lập bên trong một mức đơn trong cấu trúc phân cấp của các module Trong một module hợp nhất, một kết nối có thể được tạo ra giữa các cổng tương ứng của hai module con, hoặc giữa cổng của module con với cổng của module hợp nhất.
Mô hình truyền gói tin:
Một kết nối có ba tham số đặc trưng, bao gồm các yếu tố quan trọng cho mô hình mô phỏng mạng thông tin, mặc dù không thực sự hữu ích cho các kiểu mô hình khác Những tham số này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của mạng.
• Độ trễ đường truyền (propagation delay) tính b ng s - giây ằ
• Tỉ số lỗi bit, được tính bằng s lố ỗi/bit
• Tỉ số dữ liệu, được tính b ng s bit/s ằ ố c
Các tham số này là tùy chọn và có giá trị khác nhau trên từng kết nối, phụ thuộc vào kiểu cài đặt của liên kết, hay còn gọi là kiểu của kênh truyền.
Độ tin cậy của kênh truyền là tổng thời gian mà thông điệp bị trì hoãn khi truyền qua kênh Tỷ lệ lỗi bit ảnh hưởng đến quá trình truyền thông điệp qua kênh Tỷ lệ này biểu thị xác suất các bit bị truyền sai Do đó, xác suất để một thông điệp có độ dài n bit được truyền đi chính xác là một yếu tố quan trọng cần xem xét.
P(message gửi đi được nhận chính xác) = (1 - ber)n Trong đó: ber là tỉ s lố ỗi bit và n là s bit c a message ố ủ
Xây dựng và chạy thử các mô hình mô phỏng
Một mô hình OMNeT++ bao gồm những ph n sau: ầ
Ngôn ngữ mô tả topology NED, với định dạng file ned, cho phép mô tả cấu trúc của module, bao gồm các tham số và cổng Các file ned có thể được tạo ra bằng bất kỳ trình soạn thảo nào hoặc thông qua chương trình GNED có sẵn trong OMNeT++.
Cấu trúc của các message (các file có phần mở rộng msg) cho phép người sử dụng định nghĩa nhiều kiểu message và thêm các trường dữ liệu OMNeT++ sẽ tự động chuyển đổi những định nghĩa này thành các lớp C++ hoàn chỉnh.
• Mã nguồn của các module đơn gi n Đây là các file C++ vả ới ph n m rầ ở ộng là h hoặc cc
Quá trình tiếp theo giống như biên dịch mã ngu n C/C++: ồ
• Trong Linux: các file cc liên k t thành file o ế