tổng quan về các giao thức định tuyến trong mạng không day wsn

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA VIỄN THÔNG I - - TIỂU LUẬN BÁO HIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN KẾT NỐI Đề tài: TỔNG QUAN VỀ CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY WSN Giảng viên: TS HỒNG TRỌNG MINH Nhóm sinh viên thực hiện: [1] ĐẶNG VĂN QUÝ [2] LƯU ĐỨC TIẾN Lớp : D11VT6 Khoá : 2011-2016 Hệ : Chính quy Hà nội, tháng 09/2014 Các giao thức định tuyến WSNs Lời Nói Đầu LỜI NĨI ĐẦU Mạng không dây cảm biến (WSN) coi công nghệ quan trọng cho kỷ XXI Trong thập kỷ qua, nhận ý lớn nghiên cứu kỹ thuật công nghiệp toàn giới Một mạng WSN thường bao gồm số lượng lớn node cảm biến không dây với chi phí thấp, cơng suất thấp, đa chức với khả thơng tin liên lạc tính tốn Các node cảm biến giao tiếp với môi trường vô tuyến để cộng tác để thực nhiệm vụ chung, ví dụ giám sát mơi trường, giám sát qn sự, điều khiển q trình cơng nghiệp Một số lượng lớn nghiên cứu tiến hành để tìm hiểu khắc phục hạn chế WSNs giải vấn đề thiết kế ứng dụng Trong tiểu luận này, giao thức định tuyến khác cho mạng cảm biến không dây thảo luận so sánh Chương tiểu luận giới thiệu khát quát tổng quan mạng cảm biến khơng dây, q trình phát triển thành phần cấu tạo Chương nêu ứng dụng tiêu biểu mạng cảm biến không dây đời sống khoa học kỹ thuật Chương Các giao thức định tuyến khác thảo luận so sánh Từ đưa định hướng nghiên cứu D11VT6 Các giao thức định tuyến WSNs Mục lục MỤC LỤC Chương TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Chương ỨNG DỤNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 14 Chương CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .21 D11VT6 Các giao thức định tuyến WSNs Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mơ mạng cảm biến thông thường Hình 1.2 Các thành phần node Hình 1.3 Các giao thức mạng cảm biến .11 Hình 2.4 Dạng C1WSNs liên kết đa điểm-điểm sử dụng định tuyến động 14 Hình 2.5 Dạng C1WSNs liên kết điểm-điểm sử dụng định tuyến tĩnh .15 Hình 2.6 Ứng dụng WSNs an ninh luật pháp 17 Hình 2.7 Hệ thống cảm biến đường cao tốc 18 Hình 2.8 Điều khiển thiết bị nhà 19 Hình 2.9 Quản lý q trình tự động cơng nghiệp .19 Hình 2.10 Các ứng dụng y khoa 20 Hình 3.11 Truyền liệu đa chặng .21 Hình 3.12 Flooding gói liệu mạng thơng tin 24 Hình 3.13 Bùng nổ lưu lượng flooding 25 Hình 3.14 Vấn đề chồng lấn flooding .26 Hình 3.15 Hoạt động giao thức SPIN 27 Hình 3.16 Thủ tục bắt tay giao thức SPIN-PP 28 Hình 3.17 Giao thức SPIN-BC 29 Hình 3.18 Truyền thơng điệp interest 30 Hình 3.19 Pha cài đặt gradient .31 Hình 3.20 Phân phối liệu theo tuyến được chọn nâng cao chất lượng 32 Hình 3.21 Phân chia cluster 33 Hình 3.22 Hai trạng thái pha LEACH 34 Hình 3.23 Cấu trúc mạng hình chuỗi 37 Hình 3.24 Quyết định chuyển tiếp mang tính cục tồn hệ thống .39 Hình 3.25 Các chiến lược chuyển tiếp gói 40 Hình 3.26 Giải thuật định tuyến khơng hiệu 40 Hình 3.27 Cải thiện chất lượng giao thức định tuyến 41 D11VT6 Các giao thức định tuyến WSNs Chương Tổng quan WSNs Chương TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu Mạng cảm biến (sensor network) cấu trúc, kết hợp khả cảm biến, xử lý thông tin thành phần liên lạc để tạo khả quan sát, phân tích phản ứng lại với kiện tượng xảy mơi trường cụ thể Mơi trường giới vật lý, hệ thống sinh học Có thành phần cấu tạo nên mạng cảm biến: - Các cảm biến phân bố theo mơ hình tập trung hay phân bố rải - Mạng lưới liên kết cảm biến (có dây hay vô tuyến) - Điểm trung tâm tập hợp liệu - Bộ phận xử lý liệu trung tâm Một node cảm biến kết hợp cảm biến xử lý, hay gọi mote Mạng cảm biến không dây (WSN) mạng cảm biến node cảm biến kết nối sóng vô tuyến 1.1.1 Công nghệ Sensor Network Cảm biến xem phần quan trọng phục vụ cho ứng dụng Công nghệ cảm biến điều khiển bao gồm cảm biến trường điện từ; cảm biến tần số vô tuyến; quang, hồng ngoại; radars; lasers; cảm biến định vị, dẫn đường; đo đạc thông số môi trường; cảm biến phục vụ ứng dụng an ninh, sinh hóa… Ngày nay, cảm biến sử dụng với số lượng lớn Mạng WSNs có đặc điểm riêng, công suất bị giới hạn, thời gian cung cấp lượng nguồn (chủ yếu pin) có thời gian ngắn, chu kỳ nhiệm vụ ngắn, quan hệ đa điểm-điểm, số lượng lớn node cảm biến… Cảm biến gồm hay dãy cảm biến Kích thước đa dạng, từ nano (1100nm), meso (100-10000nm), micro (10-1000um), macro (vài mm-m)… Do đặc tính mạng WSNs di động trước chủ yếu phục vụ cho ứng dụng quân nên đòi hỏi tính bảo mật cao Ngày nay, ứng dụng WSNs mở rộng cho ứng dụng thương mại, việc tiêu chuẩn hóa tạo tạo nên tính thương mại cao cho WSNs WSNs phân làm loại, theo mơ hình kết nối định tuyến mà nodes sử dụng: Loại (C1WSNs): - Sử dụng giao thức định tuyến động - Các node tìm đường tốt đến đích - Vai trị node sensor với node trạm lặp (repeater) - Khoảng cách lớn (hàng ngàn mét) - Khả xử lý liệu node chuyển tiếp D11VT6 Các giao thức định tuyến WSNs Chương Tổng quan WSNs - Mạng phức tạp Loại (C2WSNs): - Mơ hình đa điểm-điểm hay điểm-điểm, kết nối radio đến node trung tâm - Sử dụng giao thức định tuyến tĩnh - Một node không cung cấp thông tin cho node khác - Khoảng cách vài trăm mét - Node chuyển tiếp khơng có khả xử lý liệu cho node khác - Hệ thống tương đối đơn giản 1.1.2 Ứng dụng mạng cảm biến - Quân sự: theo dõi mục tiêu, chiến trường, nguy cơng ngun tử, sinh hóa,… Mơi trường: giám sát cháy rừng, thay đổi khí hậu, bão, lũ lụt,… Y tế, sức khỏe: giám sát bệnh nhân bệnh viện, quản lý thuốc, điều khiển từ xa,… Gia đình: ngơi nhà thông minh, điều khiển thiết bị điện, hệ thống sưởi ấm,… Thương mại: điều khiển môi trường công nghiệp văn phịng, giám sát xe cộ, giao thơng,… 1.2 Các thành phần phát triển mạng cảm biến 1.2.1 Các thành phần cấu trúc mạng cảm biến Các thành phần thiết kế trọng tâm mạng WSNs cần đặt ngữ cảnh mơ hình WSNs dạng (C1WSNs) giới thiệu phần trước Bởi mơ hình với số lượng lớn cảm biến mạng, chuỗi liệu nhiều, liệu khơng thật hồn hảo, khả hư hỏng node cao, khả bị nhiễu lớn, giới hạn công suất cung cấp, xử lý, thiếu thông tin node mạng Do vậy, C1WSNs tổng qt so với mơ hình C2WSNs Sự phát triển mạng cảm biến dựa cải tiến cảm biến, thơng tin, tính tốn (giải thuật trao đổi liệu, phần cứng phần mềm) D11VT6 Các giao thức định tuyến WSNs Chương Tổng quan WSNs Hình 1.1 Mơ mạng cảm biến thơng thường Hình 1.1 cho thấy mơ hình cấu trúc mạng cảm biến thường dùng Các cảm biến liên kết theo giao thức Multihop, phân chia Cluster chọn node có khả tốt làm node trung tâm, tất node loại truyền node xử lý Nhờ vậy, lượng băng thông kênh truyền sử dụng hiệu Tuy nhiên, thấy cấu trúc mạng phức tạp giao thức phân chia Cluster định tuyến trở nên khó khăn Một vài đặc điểm mạng cảm biến: Kích thước vật lý nhỏ gọn Kích thước công suất tiêu thụ chi phối khả xử lý, lưu trữ tương tác thiết bị sở Việc thiết kế phần cứng cho mạng cảm biến phải trọng đến giảm kích cỡ công suất tiêu thụ với yêu cầu định khả hoạt động Việc sử dụng phần mềm phải tạo hiệu để bù lại hạn chế phần cứng Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao Hoạt động thiết bị mạng cảm biến đo lường vận chuyển dịng thơng tin với khối lượng xử lý thấp, gồm hoạt động nhận lệnh, dừng, phân tích đáp ứng Vì dung lượng nhớ nhỏ nên cần tính tốn kỹ khối lượng công D11VT6 Các giao thức định tuyến WSNs Chương Tổng quan WSNs việc cần xử lý kiện mức thấp xen vào hoạt động xử lý mức cao Một số hoạt động xử lý mức cao lâu khó đáp ứng tính thời gian thực Do đó, nút mạng phải thực nhiều công việc đồng thời cần phải có tập trung xử lý cao độ Khả liên kết vật lý phân cấp điều khiển hạn chế Tính điều khiển nút cảm biến không dây tinh vi liên kết xử lý - lưu trữ - chuyển mạch mạng cảm biến không dây thấp nhiều hệ thống thơng thường Điển hình, cảm biến hay chấp hành (actuator) cung cấp giao diện đơn giản trực tiếp tới vi điều khiển chip đơn (đảm bảo tiêu thụ điện thấp nhất) Ngược lại, hệ thống thông thường, với hoạt động xử lý phân tán, đồng thời kết hợp với loạt thiết bị nhiều mức điều khiển liên hệ cấu trúc bus phức tạp Tính đa dạng thiết kế sử dụng Các thiết bị cảm biến nối mạng có khuynh hướng dành riêng cho ứng dụng cụ thể, tức loại phần cứng hỗ trợ riêng cho ứng dụng Vì có phạm vi ứng dụng cảm biến rộng nên có nhiều kiểu thiết bị vật lý khác Với thiết bị riêng, điều quan trọng phải dễ dàng tập hợp phần mềm để có ứng dụng từ phần cứng Như vậy, loại thiết bị cần điều chỉnh phần mềm mức độ để có hiệu sử dụng phần cứng cao Môi trường phát triển chung cần thiết phép ứng dụng riêng xây dựng tập thiết bị mà không cần giao diện phức tạp Ngồi ra, chuyển đổi phạm vi phần cứng với phần mềm khả công nghệ Hoạt động tin cậy Các thiết bị có số lượng lớn, triển khai phạm vi rộng với ứng dụng cụ thể Việc áp dụng kỹ thuật mã hóa sửa lỗi truyền thống nhằm tăng độ tin cậy đơn vị riêng lẻ bị giới hạn kích thước cảm biến cơng suất Việc tăng độ tin cậy thiết bị lẻ điều cốt yếu Thêm vào đó, tăng độ tin cậy ứng dụng khả chấp nhận khắc phục hỏng hóc thiết bị đơn lẻ Như vậy, hệ thống hoạt động nút đơn khơng mạnh mẽ mà cịn dễ dàng phát triển ứng dụng phân tán tin cậy Ngồi cịn số đặc điểm khác như: - Các node phân bố dày đặc - Các node dễ bị hư hỏng - Giao thức mạng thay đổi thường xuyên - Node bị giới hạn công suất, khả tính tốn, nhớ - Các node khơng đồng tồn hệ thống số lượng lớn node D11VT6 Các giao thức định tuyến WSNs Chương Tổng quan WSNs Hình 1.2 Các thành phần node Các thành phần cấu tạo nên node mạng cảm biến là: - Một cảm biến (có thể hay dãy cảm biến) đơn việc thực thi (nếu có) - Đơn vị xử lý - Đơn vị liên lạc vô tuyến - Nguồn cung cấp - Các phần ứng dụng khác… Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây Kiến trúc giao thức sử dụng thu nhận (Sink) tất nút cảm biến thể hình 1.3 Kiến trúc giao thức phối hợp tính tốn định tuyến lượng, kết hợp số liệu với giao thức mạng, truyền tin với hiệu lượng thông qua môi trường không dây tăng cường hợp tác nút cảm biến Kiến trúc giao thức bao gồm lớp ứng dụng (Application Layer), lớp giao vận (Transport Layer), lớp mạng (Network Layer), lớp liên kết số liệu (Datalink Layer), lớp vật lý (Physical Layer), mặt quản lý lượng (Power Management Plane), mặt quản lý di động (Mobility Management Plane) mặt quản lý nhiệm vụ (Task Management Plane) Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, kiểu phần mềm ứng dụng xây dựng sử dụng lớp ứng dụng Lớp giao vận giúp trì dịng số liệu ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu Lớp mạng tập trung vào việc định tuyến số liệu cung cấp lớp giao vận Do môi trường có nhiễu nút cảm biến di động được, giao thức MAC phải tính tốn lượng tối thiểu hóa va chạm việc phát quảng bá với nút lân cận Lớp vật lý sử dụng kỹ thuật điều chế, truyền nhận cần thiết đơn giản mạnh mẽ Thêm vào đó, mặt quản lý lượng, di động nhiệm vụ điều khiển phân phối lượng, phối hợp di chuyển nhiệm vụ nút cảm biến Các mặt giúp cho nút cảm biến phối hợp nhiệm vụ cảm biến giảm tổng lượng tiêu thụ D11VT6 Các giao thức định tuyến WSNs Chương Tổng quan WSNs Mặt quản lý lượng quản lý việc nút cảm biến sử dụng lượng Ví dụ, nút cảm biến tắt phận nhận sau nhận tin từ nút lân cận Điều tránh việc nhận tin tới hai lần Ngoài ra, mức lượng nút cảm biến thấp, nút cảm biến thông báo tới tất nút lân cận mức lượng thấp thấp nên khơng thể tham gia vào việc định tuyến cho tin Năng lượng lại dự trữ cho việc cảm biến Mặt quản lý di động dị tìm ghi lại chuyển động nút cảm biến, tuyến đường hướng tới nút user trì nút cảm biến theo dõi nút cảm biến lân cận Với việc nhận biết nút cảm biến lân cận, nút cảm biến cân nhiệm vụ lượng sử dụng Mặt quản lý nhiệm vụ cân xếp nhiệm vụ cảm biến cho vùng cụ thể Không phải tất cảm biến vùng yêu cầu thực nhiệm vụ cảm nhận thời điểm Kết vài nút cảm biến thực nhiệm vụ nhiều nút khác tuỳ theo mức lượng chúng Những mặt quản lý cần thiết, vậy, nút cảm biến làm việc với để có hiệu mặt lượng, định tuyến số liệu mạng cảm biến di động chia sẻ tài nguyên nút cảm biến Nếu không, nút cảm biến làm việc cách đơn lẻ Xuất phát quan điểm xem xét toàn mạng cảm biến, hiệu nút cảm biến hoạt động hợp tác với nhau, kéo dài tuổi thọ mạng Các tiêu chuẩn giao thức truyền thơng Mục đích thiết kế WSNs để phát triển giải pháp mạng không dây dựa tiêu chuẩn hao phí thấp nhất, đáp ứng yêu cầu tốc độ liệu thấp - trung bình, tiêu thụ cơng suất thấp, đảm bảo độ bảo mật tin cậy cho hệ thống Vị trí node cảm biến không xác định trước, có nghĩa giao thức giải thuật mạng phải có khả tự xây dựng Các nhà nghiên cứu phát triển nhiều giao thức đặc biệt cho WSNs, vấn đề lượng tiêu thụ phải thấp đến mức Chủ yếu tập trung vào giao thức định tuyến, định tuyến có khác so với mạng truyền thống (phụ thuộc vào ứng dụng kiến trúc mạng) D11VT6 10 Các giao thức định tuyến WSNs Chương Các giao thức định tuyến WSNs bỏ qua thông điệp ADV tương ứng sau nhận gói Điều hạn chế việc sử dụng SPIN ứng dụng đặc biệt giám sát phát xâm nhập bảo vệ cơng trình trọng yếu • Truyền tin trực tiếp: Truyền tin trực tiếp (Directed diffusion) giao thức định tuyến liệu trung tâm cho mạng WSNs Chức giao thức tiết kiệm lượng cho mạng cách tạo tương tác node qua trao đổi thông điệp phạm vi lân cận Thành phần giao thức gồm thông điệp interests, data messages, gradients reinforcements (sự nâng cao) Thông điệp interests xem lời hỏi hay lời yêu cầu mà node cần liệu gửi đến node khác Node đáp ứng cho yêu cầu trả lời liệu tương ứng Trạm gốc phát quảng bá theo chu kỳ gói interests đến node mạng xung quanh để xác định xem có node phát liệu mà cần hay khơng Mỗi node cảm biến có interest cache xem nhớ bao gồm trường timestamp chứa timestamp gói interest phù hợp trước đó, trường multiple gradient chứa tốc độ hướng liệu nhận được, trường duration thời gian sống thông điệp interest Hình 3.8 miêu tả trình truyền interest mạng WSN Hình 3.18 Truyền thơng điệp interest D11VT6 30 Các giao thức định tuyến WSNs Chương Các giao thức định tuyến WSNs Quá trình truyền thông điệp interest qua mạng kết hợp xây dựng gradient (có thể xem hướng tốc độ truyền) node mạng hình thành liên kết trạm gốc node có liệu Một node nhận thơng điệp, kiểm tra thơng điệp có trùng với liệu có interest cache khơng Nếu có, node tính tốc độ cao số đường gradient liên kết với node lân cận Sau node gửi mơ tả kiện cho node có liên kết Nếu khơng có interest trùng, node bỏ qua thơng điệp Hình 3.19 Pha cài đặt gradient Hình 3.9 cho thấy trình cài đặt gradient (tốc độ hướng liên kết) Trong suốt pha cài đặt gradient trạm gốc tạo nhiều tuyến Trạm gốc tăng chất lượng đường truyền cách tăng tốc độ liệu cho hay nhiều số đường vừa tạo Đường có chất lượng tốt giữ lại bỏ đường lại D11VT6 31 Các giao thức định tuyến WSNs Chương Các giao thức định tuyến WSNs Hình 3.20 Phân phối liệu theo tuyến được chọn nâng cao chất lượng Sau xây dựng xong tuyến liên lạc từ trạm gốc đến node có liệu, q trình truyền liệu bắt đầu Nếu đường truyền bị hỏng tác động kênh truyền hay node không đủ lượng để hoạt động phát dựa vào tốc độ liệu bị giảm hay liệu Lúc đường có tốc độ liệu thấp dùng thay cho đường bị hỏng Kỹ thuật truyền tin trực tiếp có hiệu suất sử dụng lượng cao, ổn định với môi trường mạng có đặc tính động 3.3.2 Các giao thức định tuyến phân lớp Clustering giao thức truyền thơng hiệu lượng sử dụng cảm biến để báo cáo liệu chúng tới trạm gốc Ở phần này, mô tả mẫu giao thức phân lớp mà mạng bao gồm vài cụm (clusters) cảm biến Mỗi cụm quản lý node đặc biệt, gọi cluster head Cluster head chịu trách nhiệm phối hợp liệu phát tới tất cảm biến cụm • Phân nhóm cấp bậc tương thích, lượng thấp (LEACH): LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy) thuật toán định tuyến thiết kế để thu thập phân phối liệu đến góp liệu, thường BS Mục đích LEACH là: • • • Kéo dài thời gian sống mạng Giảm lượng tiêu thụ node mạng Dùng tập hợp liệu để giảm số thông điệp cần truyền D11VT6 32 Các giao thức định tuyến WSNs Chương Các giao thức định tuyến WSNs LEACH xây dựng cấu trúc mạng thành cluster Mỗi cluster quản lý nút gọi cluster head LEACH lựa chọn ngẫu nhiên số node cảm biến để trở thành node quay vịng vai trò để phân bố tải lượng node cảm biến mạng Ở LEACH, node nén liệu đến từ nút khác nhóm chúng gửi gói liệu thu thập tới trạm gốc nhằm mục đích giảm số lượng thông tin truyền phát trạm gốc Việc thu thập số liệu thực tập trung theo chu kỳ Do giao thức thực thích ứng có nhu cầu trao đổi theo dõi thường xuyên mạng cảm biến.Thực tế, người sử dụng khơng cần tất số liệu lập tức, việc truyền phát số liệu theo chu kỳ khơng cần thiết làm suy giảm nguồn lượng giới hạn node cảm biến Sau khoảng thời gian cho trước, việc quay vịng ngẫu nhiên thay đổi vai trị node tiến hành cho có tiêu tán lượng node cảm biến mạng Hình 3.21 Phân chia cluster Hoạt động LEACH phân tách thành hai pha, pha thiết lập pha ổn định trạng thái Ở pha thiết lập, nhóm tổ chức node lựa chọn Còn giai đoạn ổn định trạng thái, việc truyền số liệu thực trạm gốc tiến hành Khoảng thời gian tồn pha ổn định trạng thái thường dài so với thời gian thiết lập ban đầu để giảm tối thiểu tổng chi phí D11VT6 33 Các giao thức định tuyến WSNs Chương Các giao thức định tuyến WSNs Hình 3.22 Hai trạng thái pha LEACH Trong pha thiết lập, bắt đầu q trình chọn lựa node (cluster head) Một số lượng nhỏ node xác định trước (P) tự định chúng trở thành node chính, node n chọn lấy số ngẫu nhiên v phạm vi và so sánh với giá trị ngưỡng T(n) Nếu số ngẫu nhiên nhỏ giá trị ngưỡng T(n), node trở thành node vịng Giá trị ngưỡng tính tốn dựa biểu thức tốn học có kết hợp phần trăm mong muốn hay xác suất trở thành nút P, vịng r, tập hợp G node chưa lựa chọn làm node 1/P vịng trước T(n) xác định theo công thức: Tất node lựa chọn phát quảng bá tin thơng báo tới tất node cịn lại mạng chúng node Các node khác, khơng phải node sau nhận tin thông báo định thuộc nhóm mà chúng muốn Quyết định dựa cường độ tín hiệu tin thơng báo Các nút khơng phải node thơng báo cho node thích ứng chúng thành viên nhóm Sau thu nhận tất tin từ node muốn gia nhập nhóm dựa số lượng node thành viên nhóm, node tạo định thời TDMA, cấp cho node khe thời gian truyền phát Định thời (Schedule) quảng bá tới tất node nhóm LEACH dùng kỹ thuật D11VT6 34 Các giao thức định tuyến WSNs Chương Các giao thức định tuyến WSNs đa truy cập theo mã CDMA để giảm xung đột node cluster Mã chọn lựa cẩn thận để giảm can nhiễu cluster Trong giai đoạn ổn định trạng thái, nút cảm biến bắt đầu cảm biến truyền phát số liệu nút Các nút chính, sau thu tất số liệu, tập hợp chúng lại trước gửi đến trạm gốc Sau khoản thời gian định xác định trước, mạng quay trở lại trạng thái thiết lập bắt đầu vịng lựa chọn nút LEACH cung cấp mơ hình tốt mà thuật tốn nội tập hợp liệu thực nút lựa chọn cách ngẫu nhiên Điều làm giảm tải thông tin cung cấp tập hợp tin cậy số liệu cho người sử dụng cuối LEACH góp phần giảm đáng kểnăng lượng tiêu thụ kéo dài thời gian hoạt động mạng cảm biến so với trường hợp mạng gồm nhóm cố định Tuy nhiên, LEACH có số nhược điểm: • LEACH chưa xác định cụ thể số lượng tối ưu nút mạng mà mạng khác có cấu hình, mật độ số lượng nút khác • Chưa có gợi ý việc tái tạo lại nút cần thực • Các nút xa trạm gốc tiêu thụ nhiều lượng nhanh chóng dừng hoạt động nút khác • Tất node kết nối với trạm gốc qua chặng khơng khả thi khả lượng cung cấp cho node thay đổi theo thời gian • Khoảng thời gian pha ổn định trạng thái ảnh hưởng lớn đến lượng tiêu thụ Khoảng ổn định trạng thái ngắn làm tăng overhead (chi phí cho điều khiển giao thức), khoảng ổn định trạng thái kéo dài làm sụt giảm lượng nhanh chóng Nhiều giao thức đưa để cải tiến LEACH Giao thức XLEACH (extented LEACH) xem xét đến mức lượng node trình lựa chọn node Theo đó, mức ngưỡng T(n) để lựa chọn node định nghĩa: Trong đó: En, current lượng En,max lượng lúc đầu node có rn,s số vịng liên tiếp mà node khơng làm node D11VT6 35 Các giao thức định tuyến WSNs Chương Các giao thức định tuyến WSNs Khi giá trị rn,s đạt đến 1/P, ngưỡng T(n) trở lại giá trị có trước xét đến lượng cịn lại biểu thức tính T(n) rn,s trảvề0 node trở thành node LEACH làm giảm lượng tiêu thụ Các node gửi liệu trực tiếp đến trạm gốc Yêu cầu lượng LEACH phân bố cho tất node chúng đóng vai trị việc lựa chọn node LEACH thực thuật tốn phân bố, khơng u cầu thơng tin điều khiển từ trạm gốc Quản lý nhóm cục khơng cần thơng tin chung tồn mạng Các kết mô cho thấy, LEACH vượt trội so với giao thức định tuyến truyền thống định tuyến đa chặng truyền trực tiếp, định tuyến lượng tối thiểu, giải thuật định tuyến phân nhóm tĩnh • Tập trung hiệu cơng suất hệ thống thông tin cảm biến: Tập trung hiệu công suất hệ thống thông tin cảm biến (Power-efficient gathering in sensor information systems - PEGASIS) cấu trúc mở rộng họ giao thức định tuyến tập hợp thông tin cho mạng WSN PEGASIS thực nhiệm vụ: kéo dài thời gian sống cho mạng, đồng lượng tất node mạng giảm độ trễ gói liệu PEGASIS ứng dụng mơ hình mạng gồm node phân bố đồng khu vực node biết thông tin chung node khác mạng Hơn node cịn có khả điều chỉnh công suất thu phát dùng kỹ thuật CDMA Mục tiêu giao thức định tuyến giảm lượng tiêu thụ truyền liệu thu thập từ node đến trạm gốc với độ trễ thấp Khác với giao thức khác dựa cấu trúc mạng hình hay phân chia cluster, PEGASIS dùng cấu trúc chuỗi Theo cấu trúc này, node liên lạc với node gần Chuỗi node xa trạm gốc node thêm vào node cuối chuỗi Để xác định node gần nhất, node dựa độ mạnh tín hiệu để đo khoảng cách đến tất node gần node hiệu chỉnh công suất phát đủ liên lạc với node gần nghe thấy Một node chuỗi chọn làm node vịng Node có nhiệm vụ thu thập liệu phát đến trạm gốc Sự ln phiên vai trị node chuỗi đảm bảo cân công suất tiêu thụ node Tuy nhiên, node xa trạm gốc phải tiêu tốn công suất lớn để phát liệu đến trạm gốc Dạng đơn giản node hai phía node truyền liệu đến đến node Node tập hợp liệu phát cho trạm gốc Tuy nhiên, mơ hình gây độ trễ lớn cho gói liệu Để giảm trễ gói giao thức khác nêu dùng mơ hình tập hợp liệu song song theo chuỗi Để có chất lượng cao node D11VT6 36 Các giao thức định tuyến WSNs Chương Các giao thức định tuyến WSNs cấp thu phát dùng CDMA để tránh can nhiễu node lân cận Hình 3.12 minh họa giải thuật tập hợp liệu song song Hình 3.23 Cấu trúc mạng hình chuỗi Giả sử tất node biết thông tin chung liên kết thành chuỗi N số node tham gia vào chuỗi Xét node vị trí số node vòng xét, mức node đánh số chẵn phát liệu tập hợp cho node bên phải Mức kế tiếp, node giữ liệu tập hợp đánh sốlại node đánh sốchẵn phát liệu cho node bên phải Ở mức cuối cùng, node đánh số node chứa liệu lân cận cuối node node Node gửi toàn liệu tập hợp trước cho node Sau node phát tồn liệu chuỗi cho trạm gốc Thuật toán chuỗi song song tiết kiệm đáng kể lượng tiêu thụ node độ trễ gói Các kết mơ cho thấy cấu trúc mở rộng PEGASIS giao thức LEACH cải thiện đáng kể nhược điểm giao thức định tuyến truyền thống 3.3.3 Các giao thức định tuyến theo vị trí: Trong giao thức định tuyến theo vị trí, node cảm biển đánh địa vị trí chúng Thơng tin vị trí cho node cảm biến yêu cầu cho mạng cảm biến hầu hết giao thức định tuyến để tính tốn khoảng cách hai node riêng biệt để ước lượng lượng tiêu thụ Mục tiêu giao thức định tuyến theo vị trí dùng thơng tin vị trí để tìm tuyến liên lạc hiệu từ nguồn đến đích Định tuyến theo vị trí thích hợp cho mạng cảm biến, D11VT6 37 Các giao thức định tuyến WSNs Chương Các giao thức định tuyến WSNs tập hợp liệu loại bớt thông điệp dư thừa làm giảm lượng tiêu thụ Trong giao thức truyền thống, tương tác thiết bị quan tâm đến nội dung liệu đồng node mạng Mục tiêu tìm đường liên kết thiết bị, khơng thích hợp để điều khiển truy vấn đa chiều theo vị trí Trong giao thức này, thiết bị phát yêu cầu tượng xảy khu vực Thơng tin cục đưa đến đích kèm theo vị trí thiết bị địa Giao thức định tuyến theo vị trí cần lượng overhead chi phí cho tính tốn thơng tin Mặc khác, u cầu thơng tin đường truyền cấu hình single-hop (một bước) vị trí node lân cận tốt để có định xác Do vậy, giao thức phù hợp với mạng có nguồn lượng hạn chế khả mở rộng cao Chiến lược định tuyến: Định tuyến theo vị trí node mạng dùng thơng tin vị trí để tìm đường tốt từ nguồn đến đích, khơng u cầu phải phát flooding gói request Một gói liệu gửi đến nhóm node phân bố vùng định trước, kỹ thuật gọi geocasting Vùng giới hạn node nguồn định hay node trung gian để loại trừ khả gói bị chuyển lịng vịng mạng Các node trung gian có hiểu biết tốt đích đến giới hạn vùng chuyển tiếp để tìm hướng trực tiếp đến đích Ý tưởng giống với đặc tính liệu-trung tâm mạng cảm biến, quan tâm đến liệu node cảm biến cung cấp liệu Một loại khác giao thức định tuyến vị trí gọi position-based routing, yêu cầu node biết thông tin node lân cận trực tiếp Giao thức giảm đáng kể overhead lượng tiêu thụ trình truyền chặng Tuy nhiên, hiệu phụ thuộc vào mật độ mạng, vị trí xác node, quan trọng quy ước chuyển gói đến đích Các kỹ thuật forwarding (chuyển tiếp gói) Phần quan trọng định tuyến theo vị trí quy ước để chuyển gói đến đích cuối Trong giao thức Location-based routing node định bước dựa vào vị trí nó, vị trí node lân cận node đích Do chất lượng giao thức phụ thuộc vào hiểu biết node cấu hình tồn mạng Sự hiểu biết cấu trúc nội tạo đường khơng tối ưu Hình 3.13 minh họa cho trường hợp này, gói liệu chuyển tiếp qua node biết thông tin nội trường hợp node biết thơng tin tồn mạng lưới Tuy nhiên, hiểu biết cấu hình tồn hệ thống khơng thích D11VT6 38 Các giao thức định tuyến WSNs Chương Các giao thức định tuyến WSNs hợp mạng WSN lượng hoạt động bị giới hạn Để giải vấn đề nhiều giải thuật đề nghị Hình 3.24 Quyết định chuyển tiếp mang tính cục tồn hệ thống Xem xét mơ hình 3.14, node có liệu cần chuyển A Quá trình chọn lựa node trung gian nguyên tắc node nằm gần đích đến A (tức nằm A đích) chọn Chiến thuật most-forward-within-R (MFR) chọn node nằm xa số node nằm vùng bao phủ R Theo đó, bước chọn A để chuyển tiếp liệu node MFR Một chiến thuật khác, nearest-forward-progress, lựa chọn node gần Node NFP chọn để nhận liệu từ node A node gần tính từ A Mơ hình compassing routing chọn node có góc nhỏ tạo đường thẳng nối A-đích đường thẳng nối A node chọn Theo đó, node CMP chọn Mơ hình low-energy forward chọn node tối thiểu lượng yêu cầu Node LEF chọn để chuyển tiếp gói từ A đến đích D11VT6 39 Các giao thức định tuyến WSNs Chương Các giao thức định tuyến WSNs Hình 3.25 Các chiến lược chuyển tiếp gói Mặc dù tính đơn giản, định tuyến theo vị trí node khơng tìm tuyến hay định tuyến khơng hiệu Hình 3.15 minh họa trường hợp Node S cần chuyển gói liệu cho D Theo đó, node S phải chọn node lân cận gần đến đích bước Tuy nhiên S2và S3 nằm cách xa node đích node S1 Hình 3.26 Giải thuật định tuyến khơng hiệu D11VT6 40 Các giao thức định tuyến WSNs Chương Các giao thức định tuyến WSNs Trong môi trường mạng WSN, cảm biến thường nhúng vào vùng khó khơng thể tiếp cận được, lập xảy Để phá vỡ lập, mơ hình gọi right-hand rule đưa Một gói xuất phát từ node N i muốn truyền gói đến node Nj, xung quanh có nhiều node lận cận tuyến chọn tuyến theo quy tắc ngược chiều kim đồng hồ tính từ đường thẳng nối NiNj Tuy nhiên giản đồ gặp phải trường hợp tuyến cắt ngang đường thẳng nối nguồn đích Một giải thuật gọi face traversal nhằm tránh đường cắt ngang Nếu tuyến chọn theo quy tắc right-hand giao với đường thẳng nối N iNj tuyến chọn tuyến theo chiều ngược chiều kim đồng hồ Minh họa cho trình cải thiện chất lượng định tuyến áp dụng quy tắc right-hand face traversal Giả sử node S1 cần chuyển liệu đến đích node S Tuyến (1) từ S1 đến S2 Kế quy tắc right-hand chọn tuyến (2) đến S Tuy nhiên, tuyến giao với đường thẳng nối nguồn đích Nếu giữ nguyên làm giảm hiệu việc định tuyến Vì tuyến cần thay tuyến (4) tuyến sau tuyến (2) theo chiều ngược chiều kim đồng hồ Quá trình định tuyến tiếp tục tìm đường đến đích Hình 3.27 Cải thiện chất lượng giao thức định tuyến Định tuyến theo vị trí phù hợp cho mạng WSN u cầu thơng tin cho điều khiển tương tác cục node Tuy nhiên, liên kết bất đối xứng đường giao làm tăng độ phức tạp giao thức D11VT6 41 Các giao thức định tuyến WSNs Chương Các giao thức định tuyến WSNs 3.4 Kết luận chương Đặc tính WSN tính chất mơi trường làm cho việc định tuyến trở nên khó khăn Nhiều giao thức định tuyến đưa giải pháp khả thi cho vấn đề định tuyến Vì phát triển ứng dụng WSN, cải tiến mặt phần cứng công nghệ chế tạo pin mở đường cho phát triển giao thức định tuyến hiệu Một thử thách thiết kế giao thức định tuyến cho WSNs hiệu lượng khan lượng cảm biến Mục tiêu cuối đằng sau việc thiết kế giao thức định tuyến giữ cho hệ thống cảm biến lâu có thể, từ kéo dài thời gian sống mạng Năng lượng tiêu thụ cảm biến bị chi phối truyền nhận liệu Do vậy, giao thức định tuyến thiết kế cho WSN nên tiết kiệm lượng tốt để kéo dài thời gian sống cho cảm biến riêng lẻ, thời gian sống mạng D11VT6 42 Các giao thức định tuyến WSNs Kết luận – Tài liệu tham khảo KẾT LUẬN Trong tiểu luận này, khảo sát vài giao thức định tuyến cách sử dụng số tiêu chuẩn phân loại, bao gồm liệu trung tâm, thơng tin vị trí kiến trúc phân lớp Hai hướng nghiên cứu quan trọng nhận quan tâm nhà nghiên cứu cụ thể thiết kế giao thức định tuyến cho WSNs, không gian cảm biến chiều (3D) Mặc dù hầu hết cơng trình nghiên cứu WSNs , đặc biệt định tuyến chủ yếu thiết lập hai chiều (2D), với cảm biến triển khai cánh đồng phẳng, có số trường hợp giả định 2D không hợp lý việc sử dụng thiết kế 3D trở thành điều cần thiết Trong thực tế, thiết lập 3D phản ánh xác thiết kế mạng cho giới thực ứng dụng Ví dụ mạng lưới triển khai có độ cao khác khu rừng, tịa nhà có nhiều tầng, nước yêu cầu thiết kế không gian 3D không gian 2D Mặc dù số nỗ lực dành cho việc thiết kế tuyến phổ biến liệu giao thức cho ứng dụng 3D cảm ứng, tin nỗ lực bước đầu họ giai đoạn phôi thai, giao thức mạnh mẽ hiệu yêu cầu thỏa đáng giải tất vấn đề xảy TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Shio Kumar Singh, M P Singh and D K Singh, “Routing Protocols in Wireless Sensor Networks – A Survey”, IJCSES, 2010 [2] Kazem Sohraby, Daniel Minoli, Taieb Znati, “Wireless Sensor Network Technology, Protocol and Application”, John Wiley & Sons, Inc D11VT6 43 ... dõi, quan sát, phản ứng với kiện hay tượng mơi trường đặc biệt họ dùng mạng WSNs D11VT6 20 Các giao thức định tuyến WSNs Chương Các giao thức định tuyến WSNs Chương CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CHO MẠNG... D11VT6 21 Các giao thức định tuyến WSNs Chương Các giao thức định tuyến WSNs 3.2 Các thách thức thiết kế kỹ thuật định tuyến cho WSNs: Mạng WSNs có nhiều điểm chung với mạng có dây mạng Ad-hoc... TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Chương ỨNG DỤNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 14 Chương CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .21 D11VT6 Các giao thức định tuyến WSNs