Bài viết phân tích, phân loại và đánh giá về một số phương pháp quảng bá gói tin trong mạng cảm biến không dây. Dựa vào phân tích, khảo sát các giao thức định tuyến quảng bá, bài viết đã xây dựng kịch bản mô phỏng trong công cụ mô phỏng mạng NS2 để đánh giá và so sánh hiệu suất của một số giao thức như EMBA, CEB và EENWB.
Nguyễn Quốc Dũng, Nguyễn Thị Việt / Định tuyến quảng bá mạng cảm biến không dây ĐỊNH TUYẾN QUẢNG BÁ TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Nguyễn Quốc Dũng (1) (2), Nguyễn Thị Việt (1) Khoa Kỹ Thuật - Công Nghệ, Trường Đại học Hà Tĩnh Viện Điện tử - Công nghệ, Trường Đại học Hạ Môn, Trung Quốc Ngày nhận 31/12/2020, ngày nhận đăng 29/3/2021 Tóm tắt: Mạng cảm biến khơng dây quan tâm nghiên cứu áp dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, y tế, quân sự, giao thơng Quảng bá gói tin ứng dụng quan trọng mạng cảm biến không dây Bài báo phân tích, phân loại đánh giá số phương pháp quảng bá gói tin mạng cảm biến khơng dây Dựa vào phân tích, khảo sát giao thức định tuyến quảng bá, báo xây dựng kịch mô công cụ mô mạng NS2 để đánh giá so sánh hiệu suất số giao thức EMBA, CEB EENWB Các kết sở lý thuyết cho nghiên cứu, đề xuất cải tiến nhằm cải thiện hiệu cho mạng cảm biến khơng dây Từ khố: Mạng cảm biến không dây; quảng bá định tuyến; thông lượng Giới thiệu Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Netwrok - WSN) bao gồm nút cảm biến lượng thấp triển khai số môi trường để thực nhiệm vụ giám sát, đo lường, theo dõi Chức mạng cảm biến khơng dây thơng qua cảm biến để tập hợp thơng tin xung quanh gửi thông tin đến nút sở (Base station) để xử lý [1-2] Trong đó, ứng dụng quảng bá gói tin trở nên phổ biến quan trọng, nhằm chuyển tiếp gói tin từ nút đến nút lại mạng [3] Khi lượng nút cạn kiệt thường khó để cung cấp Do đó, thách thức WSN tối ưu lượng q trình hoạt động, xử lý thơng tin [4] Nghiên cứu tối ưu lượng quảng bá, giảm gói tin phân phát, bảo đảm an tồn gói tin, bảo mật vị trí nút cảm biến trở thành chủ đề nghiên cứu quan trọng ngày Trong mạng có dây nút quảng bá gói tin số nút liên kết đơn với nhận gói tin Ngược lạiWSN, đồng thời tất nút vùng phủ sóng nút nhận gói tin Dựa vào tính chất mà phương thức quảng bá gói tin cổ điển phổ biến dựa vào phát tràn (flooding), phương thức đơn giản Theo đó, nút có thơng tin quảng bá, nút gửi thông tin tới tất nút hàng xóm Một nút hàng xóm lần nhận gói tin tiếp tục chuyển tiếp gói tin đến hàng xóm Điều dẫn đến tất nút tham gia vào trình quảng bá Kết phát tràn dư thừa thơng tin, gói tin tranh chấp hay cịn gọi bão phát sóng Vì vậy, có nhiều nghiên cứu nhằm tối ưu gói tin phân phát, giúp tăng hiệu quảng bá nghiên cứu định tuyến (convergecast), bao trùm (CDS) phân nhóm định tuyến (cluster-based) Cụ thể phương thức chúng tơi trình bày phần sau Email: dung.nguyenquoc@htu.edu.vn (N Q Dũng) 14 Trường Đại học Vinh Tạp chí khoa học, Tập 50 - Số 1A/2021, tr 14-20 Kiến thức liên quan 2.1 Phân loại giao thức quảng bá mạng cảm biến khơng dây Đã có nhiều đánh giá khảo sát loại định tuyến quảng bá nhằm mục đích ưu nhược điểm chúng [5-6] Từ xem xét nút cảm biến tham gia vào trình chuyển tiếp nào, kết định chuyển tiếp phương pháp có tự nhiên, ngẫu nhiên, hiệu hay không Từ khảo sát, giao thức quảng bá phân loại sau a Phương pháp tập trung phân tán (Centralized and distributed algorithms): Các giao thức dựa vào phương pháp tính tốn để tiến hành phân loại Phương thức tập trung thường dựa tồn thơng tin mạng để có kết tốt Nhưng phần lớn ứng dụng cảm biến khơng dây, sử dụng tồn thơng tin mạng để tiến hành tính tốn khó tốn chi phí, thời gian Do đó, thông thường giao thức sử dụng phương thức phân tán để tiết kiệm chi phí, giảm thời gian lượng… b Phương pháp cắt xén không cắt xén (Based on tailoring and non - tailoring algorithms) Với phương pháp cắt xén, nút cảm biến tạo thành bao trùm giúp giảm thiểu thời gian chuyển tiếp gói tin nút sử dụng nút bao trùm để chuyển tiếp gói tin Do tập nút bao phủ có nhiều cách thức, nên từ phương pháp dễ dàng thực với phương pháp khác tập thống trị để kết hợp nhằm tạo hiệu tốt c Phương pháp định (gán) nút hàng xóm tự định: Đây phương pháp dựa vào tập nút hàng xóm để định có tham gia vào trình chuyển tiếp hay khơng Hoặc tự nút định có tham gia hay khơng Đối với phương pháp tiếp cận này, nút trước thực chuyển tiếp phải sửa đổi thơng tin tiêu đề gói tin Phương pháp giảm thiểu thơng tin chuyển tiếp mạng, thích hợp với mạng có cấu trúc thay đổi thường xuyên d Phương pháp dựa vào xác xuất phương pháp xác định: Đây phương pháp dựa vào tính tốn định có thay đổi so với dự đốn ban đầu hay khơng? Trong phương pháp xác xuất, định chuyển tiếp không đảm bảo 100% nút nhận gói liệu, với hiệu suất tương đối Tuy nhiên phương pháp tương đối đơn giản, thông thường yêu cầu nhỏ thông tin định, cụ thể tính mở rộng mật độ nút dày mạng thìphương pháp định tốt e Phương pháp điều tiết công suất không điều tiết công suất: Trong phương pháp điều tiết công suất, nút dựa vào thơng tin cơng suất tương quan, cơng suất nhỏ để chuyển tiếp, tiết kiểm lượng tiêu thụ Tuy nhiên với phương pháp này, lợi dụng kỷ thuật tầng mạng nên cần thiết phải có kiến thức hiểu biết sau tầng mạng g Phương pháp dựa tập nút thống trị không dựa nút thống trị: Phương pháp thông qua xây dựng tập nút thống trị (CDS) thơng tin bảo trì liên quan Tại mạng có thay đổi (dynamic) lớn chi phí cho việc bảo trì cao, mạng tĩnh có giao thức tương đối ổn định Phương pháp dựa tập thống trị thường thích hợp với mạng có cơng suất nút khơng thể điều tiết Ngồi sử dụng phương pháp kết cấu không kết cấu đồ thị mạng để tăng thêm hiệu cho tập việc xây dựng thống trị hiệu định tuyến 15 Nguyễn Quốc Dũng, Nguyễn Thị Việt / Định tuyến quảng bá mạng cảm biến không dây h Phương pháp khơng sử dụng thơng tin tín hiệu (beacon) có sử dụng thơng tin beacon: Phương pháp khơng có beacon không yêu cầu trao đổi thông tin beacon, thông tin overhead nhỏ, thuộc giao thức quảng bá không trạng thái, thích hợp cho mạng có thay đổi lớn, nữa, có khả mở rộng với mạng có quy mơ lớn Nhưng loại phương pháp thực phức tạp, khó khăn i Phương pháp dựa phạm vi bao phủ truyền tải không thuộc phạm vi bao phủ truyền tải: Trong giao thức dựa vào phạm vi bao phủ truyền tải, nút lợi dụng phạm vi bao phủ nút tham gia chuyển tiếp gói tin trước mà khơng dựa vào cấu trúc mạng để định có tham gia vào chuyển tiếp gói tin hay không? Mặc dù phương pháp sử dụng thông tin vị trí địa lý nút, rõ ràng giảm thiểu nhiều thông tin beacon trao đổi nút hồn tồn khơng cần đến thông tin beacon j Phương pháp dựa vào định hướng antena tồn hướng antena: Trong mạng có mật độ nút thấp lợi dụng tính định hướng truyền tải tăng hiệu sử dụng lượng, điều cần nút có hỗ trợ antena định hướng Ngược lại, mạng có mật độ nút lớn sử dụng antena tồn hướng tăng hiệu quảng bá khơng dây 2.2 Một số giao thức định tuyến quảng bá phổ biến Trong phần này, chúng tơi trình bày số giao thức quảng bá định tuyến phổ biến áp dụng cho mạng cảm biến không dây tĩnh bao gồm: giao thức đa kênh EMBA, giao thức hiệu phủ sóng CEB giao thức bảo tồn lượng EENWB a Giao thức EMBA Trong [2], tác giả đề xuất giao thức quảng bá định tuyến truyền phát đa kênh hiệu (An Efficient Multihop Broadcast Protocol for Asynchronous Duty-Cycled wireless Sensor Networks - EMBA) EMBA tăng hiệu quảng bá đa điểm cho nút cảm biến thông qua sử dụng thông tin va chạm hạn chế phát lại gói tin dự phịng EMBA cho thấy hiệu sử dụng lượng cao, giảm chi phí gói tin hai trường hợp mạng có mật độ thưa dày đặc EMBA đề xuất dùng cho mạng cảm biến không dây không đồng theo chu kỳ (asynchronization duty-cycled) EBMA dựa vào cách tiếp cận quảng bá nhiều điểm (multihop broadcast protocol) kết hợp hai kỷ thuật “định hướng gửi tin (Forwarder’s guidance)” “lắng nghe thông tin quảng bá (Overhearing broadcast)” dẫn đến giảm số lượng gói tin phát tán quảng bá, giảm va chạm gói tin, tối ưu hóa lượng Tuy nhiên, EMBA tăng gói tin overhead để điều khiển trình định hướng lắng nghe gói tin mạng Mơ hình mạng EMBA bao gồm tập nút phân bổ ngẫu nhiên, mạng tạo thành vùng đa giác (n-đỉnh) tam giác (3-đỉnh), tần suất xuất đa giác phụ thuộc vào mật độ mạng Các nút mạng cố định, khơng có khả di chuyển Mỗi nút trì bảng hàng xóm cấp bảng hàng xóm cấp gồm thơng tin chất lượng liên kết tới Các nút mạng phân chia thành nhóm Bảng 16 Trường Đại học Vinh Tạp chí khoa học, Tập 50 - Số 1A/2021, tr 14-20 B ng 1: Tập hợp nút EMBA Tập N(s) Nicv(s) Niucv(s) Nioblg(s) Nidg(s) Phần tử Tập nút hàng xóm nút S Tập nút hàng xóm gửi gói tin S Tập nút hàng xóm phát nút S Tập nút bắt buộc phải gửi nút S Tập nút hàng xóm ủy quền gửi thay nút S Bắt đầu N(s) Niucv(s) b Giao thức CEB Trong tài liệu [7], tác giả đề xuất giao thức quảng bá dựa tính hiệu phủ sóng (Coverage Efficiency-based Broadcast - CEB) Một nút dựa vào thơng tin nút bảng hàng xóm để xác định vai trị bắt buộc ủy quyền để chuyển tiếp gói tin (obligated or delegator) Theo đó, dựa theo thơng tin gói nhận được, nút chia nút hàng xóm thành ba trạng thái: tập nút gửi (SS), tập hợp nút bao phủ đơn (SCS), tập hợp nút bao phủ nhiều (MCS) Trạng thái nút ba tập hợp sử dụng để xác định nút chuyển tiếp gói tin So với giao thức quảng bá EMBA, CEB, thuật tốn chuyển tiếp gói tin nút I dựa tỷ lệ số nút SCS (| SCSi |) tổng số nút hàng xóm (| Neighbori |) giúp CEB cải thiện chất lượng phát sóng Kết CEB giảm đáng kể số lượng gói tin quảng bá Tuy nhiên, EMBA CEB, nút dựa chất lượng liên kết để chuyển tiếp gói tin Khi đó, gói tin phải chờ lượt chuyển tiếp, điều làm tăng thời gian chuyển tiếp, làm cho nút gửi phải trì hoạt động liên tục để chuyển tiếp gói tin mà không vào trạng thái nghỉ để tiết kiệm lượng c Giao thức EENWB Để cải thiện hiệu quảng báo định tuyến, [8], tác giả đề xuất giao thức quảng bá toàn mạng tiết kiệm lượng (energy-efficient network-wide broadcast - EENWB) Giao thức EENWB dựa chất lượng liên kết hợp tác tích cực nút gửi lân cận Một nút gửi EENWB vào trạng thái nghỉ sớm để tiết kiệm lượng Trong EENWB, nút gửi A ủy quyền phát sóng cho nút gửi liền kề, nút gửi A ngủ sớm nút gửi liền kề có chất lượng liên kết tốt liên kết đến nút lân cận Tuy nhiên, trường hợp gói tin ủy quyền gửi đến muộn nút ủy quyền có chất lượng liên kết giao thức EENWB khơng tiết kiệm lượng tăng độ trễ phát sóng Đánh giá mơ Trong phần thực đánh giá so sánh hiệu giao thức EMBA, CEB EENWB giới thiệu mục 2.2 Thông qua thuật toán giao thức quảng bá, thực cài đặt đánh giá thông qua công cụ mô NS2, công cụ hỗ trợ mô đánh giá hiệu mạng phổ biến Mô đánh giá thực hiệnvới kịch mạng cómật độ nút cảm biến khác gồm 50, 100, 150, 200 nút nhằm đánh giá hiệu giao thức quảng bá nhiều trường hợp khác Các nút triển khai 17 Nguyễn Quốc Dũng, Nguyễn Thị Việt / Định tuyến quảng bá mạng cảm biến khơng dây ngẫu nhiên diện tích mạng 400 x 200 m2, thời gian mô cho kịch 400s Một số thông số khác mạng cảm biến không dây phần mô đánh giá tài liệu [9] 3.1 Số lượng gói tin phân phát Trong quảng bá, số lượng gói tin phân phát số liệu quan trọng để đánh giá chất lượng giao thức Gói tin phân phát thấp hiệu quảng bá giao thức cao Nhưng Hình 1, số nút kịch tăng lên tổng số gói tin phân phát tăng theo Đặc biệt với giao thức CEB, tổng số gói tin có xu hướng tăng lên nhanh tổng số nút cảm biến mạng tăng lên Trong giao thức EENWB, gói tin uỷ nhiệm phân phát, tổng số gói giảm đáng kể so với hai giao thức cịn lại dẫn đến giảm chi phí băng thơng, tránh xung đột gói tin Hình 1: Tổng số gói tin phân phát cho giao thức quảng bá 3.2 Năng lượng trung bình cịn lại Đánh giá lượng cịn lại mạng thể tối ưu, khả thi triển khai mạng cảm biến không dây thực tế Các cảm môi trường triển khai tồn lâu tốt Chúng đánh giá tổng lượng lại giao thức sau kết thúc mơ Như Hình 2, lượng cịn lại giao thức khơng chênh lệch nhiều Trong EENWB có lượng trung bình cịn lại cao giao thức khác Điều có nút vào trạng thái ngủ để bảo tồn lượng Hình 2: Năng lượng trung bình cịn lại giao thức 18 Trường Đại học Vinh Tạp chí khoa học, Tập 50 - Số 1A/2021, tr 14-20 Kết luận Nghiên cứu định tuyến gói tin nội dung quan tâm mạng cảm biến không dây Trong báo này, tổng kết loại giao thức quảng bá mạng cảm biến không dây từ đánh giá phân loại số loại giao thức quảng bá Thông qua đánh giá số giao thức định tuyến quảng bá EMBA, CEB, EENWB, báo sở lý thuyết cho nghiên cứu, đề xuất cải tiến giúp tăng hiệu cho mạng cảm biến không dây cải tiến giao thức định tuyến quảng bá dựa vào tối ưu cấu trúc liên kết nút cảm biến TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Qing Liu, Anfeng Liu, “On the hybrid using of unicast-broadcast in wireless sensor networks,” Computers and Electrical Engineering 71: 714-732, 2018 [2] Ingook Jang, Suho Yang, Hyunsoo Yoon, “EMBA: An Efficient Multihop Broadcast Protocol for Asynchronous Duty-Cycled wireless Sensor Networks,” Ieee Transactions On Wireless Comm 12.4: 1640-1650, 2013 [3] Zhuangbin Chen, Anfeng Liu, Zhetao Li, Young-June Choi, Hiroo Sekiya, and Jie Li, “Energy-Efficient Broadcasting Scheme for Smart Industrial Wireless Sensor Network,” Mobile Information Systems, 17, 2017 [4] I F Akyildiz, W Su, Y Sankarasubramaniam, and E Cayirci, “Wireless sensor networks: A survey,” Comput Netw., 38.4, 393-422, 2002 [5] Xiaohong Shen, “Broadcast Protocols for Wireless Sensor Networks,” Smart Wireless Sensor Networks, 85-99, 2010 [6] Tang Yong, Xiang Yu, Zhang Jun and Wang Wenyong, “A survey on broadcast in wireless sensor networks,” The 2nd International Conference on Information Science and Engineering, 4324-4331, 2010 [7] Xinming Zhang, Fan Yan, Chao Li, and Qing Ding, “Coverage Efficiency-Based Broadcast Protocol for Asynchronous Wireless Sensor Networks,” Ieee Wireless Communications Letters 5.1: 76-79, 2016 [8] X Wang, X Wu, X Zhang, and Y Liang, “An Energy-Efficient Network-Wide Broadcast Protocol for Asynchronous Wireless Sensor Networks,” IEEE Wireless Communications Letters 7.6: 918-921, 2018 [9] D N Quoc, L Bi, Y Wu, S He, L Li, and D Guo, “Energy Efficiency Clustering based on Gaussian Network for Wireless Sensor Network,” IET Communications 13 6:741-747, 2019 19 Nguyễn Quốc Dũng, Nguyễn Thị Việt / Định tuyến quảng bá mạng cảm biến không dây SUMMARY BROADCAST ROUTING IN WIRELESS SENSOR NETWORK Nguyen Quoc Dung (1) (2), Nguyen Thi Viet (1) Faculty of Engineering - Technology, Ha Tinh University, Vietnam Institute of Electronics - Technology, Xiamen University, China Received on 31/12/2020, accepted for publication on 29/3/2021 The wireless sensor networks are interested in research and widely applied in some fields such as industry, agriculture, medical, military, and transportation Broadcasting is an important application of wireless sensor networks This paper has analyzed, classified and evaluated some broadcast approaches in wireless sensor networks Based on the analysis and survey of broadcast routing protocols, the paper has built a simulation scenario in the NS2 network simulation to evaluate and compare the performance of some protocols such as EMBA, CEB and EENWB These results are the theoretical basis for research and proposal to improve the efficiency of wireless sensor networks Keywords: Wireless sensor network; broadcast routing; throughput 20 ... tăng hiệu quảng bá không dây 2.2 Một số giao thức định tuyến quảng bá phổ biến Trong phần này, chúng tơi trình bày số giao thức quảng bá định tuyến phổ biến áp dụng cho mạng cảm biến không dây tĩnh... Nghiên cứu định tuyến gói tin nội dung quan tâm mạng cảm biến không dây Trong báo này, tổng kết loại giao thức quảng bá mạng cảm biến khơng dây từ đánh giá phân loại số loại giao thức quảng bá Thông... Dũng, Nguyễn Thị Việt / Định tuyến quảng bá mạng cảm biến không dây ngẫu nhiên diện tích mạng 400 x 200 m2, thời gian mô cho kịch 400s Một số thông số khác mạng cảm biến không dây phần mô đánh giá