Hầu hết các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây đều yêu cầu thông tin về vị trí các node cảm biến, để có thể tính toán khoảng cách giữa 2 node xác định trước, từ đó có thể ước lượng năng lượng cần thiết để thông tin liên lạc. Trong loại giao thức này, vị trí các node được sử dụng để định tuyến dữ liệu. Khoảng cách giữa 2 node được xác định bằng cường độ tín hiệu thu được. Vị trí các node có thể thu được bằng cách trao đổi các bản tin giữa các node lân cận hoặc lấy trực tiếp thông qua GPS. Mỗi node có thể được trang bị 1 bộ GPS công suất thấp.
Mục tiêu chính của giải thuật định tuyến này là dựa vào các thông tin về vị trí của các node cảm biến để tìm một đường đi hiệu quả đến đích. Loại định tuyến này rất phù hợp với các mạng cảm biến nơi mà việc tập trung dữ liệu là kỹ thuật hữu ích để giảm thiểu việc truyền bản tin tới trạm cơ sở bằng cách loại bỏ sự dư thừa giữa các gói đến từ các nguồn khác nhau. Sau đây, ta sẽ xem xét một số giao thức dựa trên vị trí như sau:
2.4.3.1 Giao thức GAF (Geopraphic adaptive fidelity)
GAF (Geographic Adaptive Fidelity) là một thuật toán định tuyến xuất phát từ mạng Ad- hoc di động nhưng có thể áp dụng cho mạng cảm biến, mục tiêu của GAF là tiết kiệm năng lượng cho các node dựa trên cơ sở khoanh vùng node theo vị trí. GAF dự trữ năng lượng bằng cách tắt các node không cần thiết mà không ảnh hưởng đến độ tin cậy của định tuyến.
Theo giao thức này, toàn bộ vùng bao phủ của mạng được chia thành nhiều phân vùng nhỏ và cố định nhờ cơ chế thiết lập nên các lưới ảo. Mỗi phân vùng trong GAF là một khu vực hình vuông, có kích thước bằng nhau, phụ thuộc vào công suất truyền yêu cầu và hướng truyền thông. Node cảm biến xác định phân vùng mà nó thuộc về thông qua xác
33
định vị trí chính xác của nó nhờ thông tin từ hệ thông định vị toàn cầu GPS (Global Poisitioning System) và so sánh với thông tin của lưới ảo được thiết lập trước đó.Tất cả node cảm biến trong cùng một phân vùng được đánh giá ngang cấp khi xác định giá định tuyến.
Hình 2.8: Hoạt động của GAF
Lưới ảo được xây dựng theo cách thức nhất định nhằm đảm bảo rằng, với hai vùng lân cận G1 và G2 bất kỳ, thì một node ở vùng G1 phải có khả năng truyền thông với tất cả node ở vùng G2, nhờ đó mà tất cả node trong cùng một vùng là ngang hàng nhau khi định tuyến.
GAF đảm bảo tính tương đương của tất cả node trong cùng một phân vùng bằng cách giữ ít nhất một node trong mỗi phân vùng ở trạng thái hoạt động trong suốt một chu kỳ thời gian và thiết lập tất cả node còn lại trong phân vùng đó ở trạng thái nghỉ. Node cảm biến trong cùng một phân vùng có thể tương tác với nhau để quyết định xem node nào sẽ nghỉ và trong thời gian là bao lâu. Cách thiết lập này không làm ảnh hưởng tới kết nối của toàn mạng và tính chính xác của thuật toán định tuyến, trong khi đó lại cải thiện được node hiệu năng sử dụng năng lượng của các node mạng bằng cách tắt các node lân cận của node được lựa chọn. Node ở trạng thái hoạt động sẽ đảm nhận vai trò thu thập dữ liệu trong vùng của nó, truyền và chuyển tiếp dữ liệu về trạm gốc hoặc tới các node đang hoạt động khác.
34
Để cân bằng tải và năng lượng tiêu thụ giữa các node trong cùng một phân vùng, node cảm biến lần lượt chuyển từ trạng thái nghỉ sang trạng thái hoạt động. Sự thay đổi này được thực hiện thông qua ba trạng thái: Tìm kiếm (Discovery), hoạt động (active) và nghỉ (sleep).
Hình 2.9: Sự chuyển trạng thái trong GAF
Discovery: Trạng thái Discovery là trạng thái khi một node tìm kiếm hàng xóm của nó trong cùng một phân vùng. Khi ở trong trạng thái discovery, một node sẽ bật sóng radio và trao đổi bản tin discovery để tìm node khác trong cùng phân vùng. Một bản tin discovery chứa ID của node, ID của phân vùng, năng lượng còn lại của node và trạng thái của node.
Active: Trạng thái Active được sử dụng để định tuyến dữ liệu trong mạng. Khi một node bắt đầu trạng thái active, nó thiết lập một khoảng thời gian Ta để xác định nó sẽ tồn tại ở trạng thái này trong bao lâu, và khi khoảng thời gian này kết thúc, nó quay trở lại trạng thái Discovery. Một node đang ở trạng thái Discovery hoặc Active có thể chuyển thành trạng thái Sleep khi nó phát hiện ra có một hoặc vài node tương đương khác sẽ đảm nhiệm nhiệm vụ định tuyến.
Sleep: Trong suốt thời gian node tồn tại ở trạng thái sleep, nó tắt sóng vô tuyến. Khoảng thời gian của trạng thái Sleep phụ thuộc vào từng loại ứng dụng và phụ thuộc vào một số thông số liên quan được thiết lập trong quá trình định tuyến. Để lựa chọn node mới thực hiện nhiệm vụ định tuyến, tức là chuyển node đó sang trạng thái Active, các node thực hiện thủ tục Ranking. Quyết định này được thực hiện căn cứ vào một số nguyên tắc và thông tin về cân bằng tải cũng như năng lượng còn lại của các node nhằm mục đích kéo dài tối đa thời gian sống của mạng.
35
Như vậy, mặc dù GAF là một giao thức định tuyến dựa trên vị trí, nhưng cũng có thể được coi là một giao thức phân cấp, trong đó, những phân vùng được xác định bằng lưới ảo tương đương với các cụm và tiêu chí để phân cụm là căn cứ vào vị trí của node. Tuy nhiên, node chủ không thực hiện bất cứ chức năng tổng hợp, phân tích dữ liệu nào như trong giao thức phân cấp thông thường khác.
2.4.3.2 Giao thức GEAR
Giao thức GEAR (Geographic and Energy Aware Routing) là giao thức định tuyến nhận biết năng lượng và vị trí. Trong các hệ thống xác định vị trí, việc phân tuyến thông tin theo vùng địa lý là hết sức quan trọng, đặc biệt là trong mạng cảm biến. Giao thức này hạn chế số lượng các yêu cầu ở Directed Diffusion bằng cách quan tâm đến một vùng xác định hơn là gửi các yêu cầu quảng bá. GEAR nhờ đó cải tiến hơn Directed Diffusion và vì thế tiết kiệm năng lượng hơn.
Trong giao thức GEAR, mỗi một node chứa một estimated cost và một learned cost trong quá trình đến đích qua các node lân cận. Estmated cost là sự kết hợp giữa năng lượng còn dư và khoảng cách đến đích. Learned cost là sự cải tiến của estimated cost giải thích cho việc phân tuyến xung quanh các hốc trong mạng. Hốc xảy ra khi mà một node không có bất kì một node lân cận nào gần hơn so với vùng đích hơn là chính nó. Trong trường hợp không có một hốc nào thì estimated cost bằng với learned cost. Learned cost được truyền ngược lại một hop mỗi lần một gói đến đích làm cho việc thiết lập đường cho gói tiếp theo được điều chỉnh.
Quá trình chuyển tiếp một gói tin tới tất cả các node thuộc một vùng đích nhất định bao gồm hai bước:
Bước thứ nhất là làm sao để truyền được gói tin tới vùng đích: GEAR sử dụng một bộ nhận biết năng lượng và vị trí hàng xóm để định tuyến gói tin tới vùng đích, node nguồn sẽ định tuyến dữ liệu của nó tiến gần tới vùng đích, đồng thời cố gắng cân bằng lượng năng lượng tiêu thụ của các node hàng xóm.
Bước thứ hai là chuyển phát gói tin trong một vùng: Trong hầu hết trường hợp, GEAR sử dụng thuật toán chuyển tiếp vị trí đệ quy để truyền gói tin trong cùng một vùng. Tuy nhiên, khi mật độ node cảm biến thưa, restricted flooding sẽ được sử dụng.
2.5 Kết luận
Mạng cảm biến không dây với những ưu điểm và khả năng ứng dụng rộng rãi trong thực tế đã trở thành đề tài được nghiên cứu và ứng dụng trong rất nhiều năm qua. Có rất nhiều giải pháp và cái tiến công nghệ được áp dụng để nâng cao chất lượng của các mạng
36
cảm biến. Điều đó đã mở ra tiểm năng phát triển rất mạnh mẽ cho mạng cảm biến không dây.
Tuy nhiên, WSN cũng phải đối mặt với rất nhiều thách thức, trong đó vấn đề lớn nhất là làm sao sử dụng hiệu quả và tối ưu nguồn năng lượng bị giới hạn. Để giải quyết vấn đề này, rât nhiều các giao thức định tuyến đã được nghiên cứu và áp dụng.
Trong chương này đã trình bày khái quát những thách thức và các vấn đề cần lưu ý trong việc định tuyến cho mạng WSN. Đồng thời cũng đã khái quát một số giao thức hiện nay đang được áp dụng. Mỗi giao thức đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, do đó cần phải kết hợp chặt chẽ giữa việc nghiên cứu với các yêu cầu thực tế của mỗi ứng dụng để có lựa chọn phù hợp.
37 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
CHƢƠNG 3:
CÁC PHƢƠNG PHÁP CHỌN NODE CHỦ CỤM (CLUSTER HEAD) TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY NHIỀU NODE SINK
3.1 Giới thiệu
Trong mạng cảm biến không dây (WSN), vấn đề lớn nhất mà mạng phải đối mặt chính là giới hạn về mặt năng lượng của các node mạng. Việc giảm tiêu thụ năng lượng các node mạng và kéo dài thời gian sống của mạng là vấn đề chính cần được xem xét trong việc thiết kế các giao thức cho mạng cảm biến không dây.
Giải thuật định tuyến phân cấp là một lựa chọn nghiên cứu và ứng dụng trong mạng WSN. Trong giải thuật định tuyến phân cấp, mạng được chia thành các cụm (cluster), mỗi cụm có một node đứng đầu, gọi là node chủ cụm (Cluster Head). Một trong những phương pháp làm giảm sự tiêu thụ năng lượng trong mạng cảm biến không dây là cách lựa chọn node chủ cụm (Cluster Head). Vì các node chủ cụm sẽ được dùng như các Router mạng để truyền dữ liệu đến các trạm cơ sở. Việc này sẽ tiết kiệm năng lượng vì quá trình truyền chỉ có thực hiện bằng các node chủ cụm thay cho việc tất cả các node cảm biến cùng truyền dữ liệu đến node cơ sở. Các node chọn làm node chủ cụm sẽ được lựa chọn một cách ngẫu nhiên, do đó việc tiêu hao năng lượng khi liên lạc với trạm cơ sở được trải đều cho tất cả các node trong mạng.
Mạng cảm biến nhiều sink chính là mạng có nhiều cụm và nhiều node chủ cụm, với mục tiêu định tuyến đến node cơ sở thông qua các node chủ cụm. Bấy giờ tập hợp các node chủ cụm được xem là một mạng WSN mới, giải thuật định tuyến giữa các node chủ cụm đến node cơ sở được thực hiện như trong mạng cảm biến chỉ gồm các node mạng thông thường. Còn lại chính là vấn đề là lựa chọn node nào trong cụm làm node chủ cụm và dựa vào yếu tố nào để chọn nhằm bảo đảm các mục tiêu tiết kiệm năng lượng và kéo dài thời gian sống cho mạng. Bài toán này là phức tạp và đa dạng, nó được nghiên cứu riêng rẽ và giới thiệu trong các giải thuật định tuyến khác nhau.
Nội dung của chương này là nghiên cứu và giới thiệu phương pháp lựa chọn node chủ cụm trong mạng cảm biến nhiều sink. Bao gồm nghiên cứu và giới thiệu các phương pháp lựa chọn node chủ cụm trong các mạng có kiến trúc phân cấp. Trong các kiến trúc mạng này, các node mạng có vai trò khác nhau: các node có năng lượng cao hơn được sử dụng để xử lý thông tin, trong khi các node có năng lượng thấp hơn được dùng để cảm nhận và thu thập dữ liệu. Điều này có nghĩa là chia mạng thành các nhóm (cluster) và chỉ định nhiệm vụ cho các node được lựa chọn là node chủ cụm (node có nhiều năng lượng hơn). Mục đích chính của định tuyến phân cấp là để duy trì hiệu quả việc tiêu thụ năng lượng của các node cảm biến, thực hiện tập trung và hợp nhất dữ liệu để giảm số bản tin
38
được truyền đến trạm cơ sở. Sự hình thành các cụm chủ yếu dựa trên năng lượng dự trữ của node và vùng lân cận của node so với các cluster head.
3.2 Một số phƣơng pháp chính về chọn node chủ cụm (Cluster Head) trong mạng cảm biến nhiều node sink.
3.2.1 Sử dụng phƣơng pháp nhận dạng để lựa chọn node chủ cụm:
Sự thành công của phương pháp này phụ thuộc hai giả thiết: - Tất cả các node đều có một nhận dạng duy nhất.
- Những nhận dạng này được phân bố đều trong toàn mạng.
Do các node chủ cụm duy trì và quyết định cấu hình của các mạng cảm biến nên việc lựa chọn tối ưu các node chủ cụm là một vấn đề hết sức quan trọng. Trong các mô hình mạng sử dụng phương pháp này để lựa chọn node chủ cụm, các tác giả thường chọn các node có chỉ số nhận dạng thấp làm node chủ cụm. Phương thức tiếp cận này có thể không phù hợp cho những mạng cảm biến có năng lượng giới hạn bởi vì nó tập trung chuyên vào một lượng nhỏ các node có chỉ số nhận dạng thấp mà không xem xét tới thời gian mà chúng có thể tồn tại. Ngoài ra, nó không tạo được sự cân bằng về lưu lượng tải cho toàn bộ các node trong mạng.
3.2.2 Phƣơng pháp chọn node chủ cụm dựa trên bậc (degree) của node:
Ở đây, bậc của một node được tính toán dựa trên khoảng cách (phạm vi truyền dẫn) giữa node này tới node khác. Nói cách khác, bậc của một node là số các node lân cận trong một truyền dẫn được xác định trước gọi là phạm vi của nhóm. Node có số lượng tối đa các node lân cận sẽ được chọn làm node chủ cụm. Tuy nhiên, một node chủ cụm không thể điều khiển được một số lượng lớn các node của nhóm do hạn chế về mặt năng lượng. Điều này có thể dẫn đến sự suy hao nhanh chóng nguồn năng lượng nuôi của các node có bậc lớn. Hơn nữa, thông lượng của hệ thống sẽ giảm khi số lượng các node trong nhóm tăng lên. Từ khía cạch áp dụng, các nhóm có số lượng node đồng đều sẽ làm giảm tải cho các node chủ cụm. Nhưng vấn đề này sẽ làm nảy sinh chi phí cho việc có nhiều nhóm trong mạng và do vậy yêu cầu nhiều định tuyến hơn, phức tạp hơn.
Có thể dẫn ra các phương pháp chọn các node có bậc (degree) lớn hơn làm node chủ cụm như mô hình Kuhn et.al., Amis et.al.và Gerla et.al.
3.2.3 Phƣơng pháp lựa chọn node chủ cụm liên quan đến trọng số của node.
Phương pháp này sẽ chú trọng đến các node có trọng số lớn hơn để lựa chọn làm node chủ cụm. Trọng số của một node được dùng để xác định sự quan trọng của node. Ví dụ, nó có thể là năng lượng acquy còn lại của node ( như trong giao thức HEED, bậc của
39
node (như trong giao thức ACE), hoặc kết hợp các tham số (ví dụ như năng lượng còn lại, phân bậc, tính di động, khoảng cách trung bình đến các node lân cận).
Kỹ thuật này có nhược điểm là không có một tiêu chuẩn cụ thể để cấp trọng số cho các node và nó khá phù hợp với các mạng tĩnh mà ở đó các node không di chuyển nhiều hoặc di chuyển rất chậm.
3.3 Lựa chọn node chủ cụm trong một số giao thức tiêu biểu.
Về lý thuyết chung chọn node chủ cụm thì như vậy, tuy nhiên để hình dung được quá trình chọn và hiểu sâu sắc hơn vấn đề này, phần dưới đây sẽ giới thiệu cách chọn node chủ cụm trong một số giao thức định tuyến tiêu biểu, qua đó nhận xét cái ưu cái nhược của mỗi giải pháp.
3.3.1 Lựa chọn node chủ cụm theo giao thức LEACH
LEACH [1] là một trong những giải thuật định tuyến phân cấp khá tiêu biểu cho mạng cảm biến không dây và được cải tiến thành nhiều phiên bản khác nhau cho các ứng dụng trong thực tiễn. Ý tưởng hình thành các cụm cảm biến dựa vào cường độ tín hiệu nhận được và node chủ cụm có vai trò như các router đến trạm cơ sở. Nhờ thế sẽ tiết kiệm năng lượng vì quá trình truyền chỉ có thực hiện bằng các node chủ cụm thay cho việc sử