2.3.1 Phân loại
Có nhiều cách phân loại các giao thức định tuyến trong WSN. Việc định tuyến trong WSN có thể chia thành hai nhóm chính (hình 2.1): nhóm thứ nhất tuỳ thuộc vào cấu trúc mạng, nhóm thứ hai tùy thuộc cơ chế hoạt động của giao thức. Nhóm thứ nhất còn có thể đƣợc chia thành định tuyến phẳng, định tuyến phân cấp và định tuyến dựa theo vị trí. Nhóm thứ hai cũng có thể đƣợc chia thành các giao thức định tuyến theo truy vấn, định tuyến đa đƣờng, giao thức định tuyến dựa trên đàm phán, định tuyến dựa trên xử lý dữ liệu liên kết và không liên kết hoặc định tuyến dựa vào chất lƣợng dịch vụ QoS. Ngoài ra, các giao thức định tuyến có thể đƣợc chia thành ba loại là chủ động, tƣơng tác hoặc ghép tuỳ thuộc vào cách thức mà nguồn tìm đƣờng tới đích. Trong các giao thức chủ động, tất cả các đƣờng đƣợc tính toán trƣớc khi có yêu cầu, trong khi đối với các giao thức tƣơng tác thì các đƣờng đƣợc tính toán theo yêu cầu. Để khái quát, có thể sử dụng phân loại theo cấu trúc mạng và cơ chế hoạt động của giao thức (tiêu chuẩn chọn đƣờng). Việc phân loại và so sánh các giao thức chọn đƣờng trong WSN đƣợc đƣa ra trong hình 2.1 và bảng 1. [5]
Hình 2.1: Phân loại giao thức định tuyến trong mạng WSN
Tên và chi tiết của các giao thức định tuyến đã phát triển đƣợc mô tả đầy đủ theo bảng sau:
Giao Thức
Định tuyến Phân loại Di chuyển Tiết kiệm công suất Dựa vào hỏi đáp Kết hợp số liệu Xác định vị trí QoS Độ phức tạp của trạng thái Khả năng định cỡ Đa đƣờng Dựa vào yêu cầu
SPIN Phẳng Có thể Hạn chế Có Có Không Không Thấp Hạn chế Có Có Directed
Diffusion Phẳng Hạn chế Hạn chế Có Có Có Không Thấp Hạn chế Có Có Rumor
Routing Phẳng Rất hạn
chế Không áp dụng Không Có Không Không Thấp Tốt Không Có GBR Phẳng Hạn chế Không áp dụng Không Có Không Không Thấp Hạn chế Không Có MCFA Phẳng Không Không
áp dụng Không Không Không Không Thấp Tốt Không Không CADR Phẳng Không Hạn chế Không Có Không Không Thấp Hạn chế Không Không
COUGAR Phẳng Không Hạn chế Không Có Không Không Thấp Hạn chế Không Có ACQUIRE Phẳng Hạn chế Không áp dụng Không Có Không Không Thấp Hạn chế Không Có EAR Phân cấp Hạn chế Không áp dụng Không Không Không Không Thấp Hạn chế Không Có
LEACH Phân cấp Nút gốc cố định Cực đại Không Có Có Không Nút chỉ nhóm Tốt
Không Không
TEEN &
APTEEN Phân cấp Nút gốc cố định Cực đại Không Có Có Không Nút chỉ nhóm Tốt
Không Không
PEGASIS Phân cấp Nút gốc cố định Cực đại Không Không Có Không Thấp Tốt Không Không MECN &
SVECN Phân cấp Không Cực đại Không Không Không Không Thấp Thấp Không Không OP Phân cấp Không Không
áp dụng Không Không Không Không Thấp Thấp Không Không HFAR Phẳng Không Không
áp dụng Không Không Không Không Thấp Tốt Không Không VGA Phẳng Không Không
áp dụng Có Có Có Không Nút chỉ
nhóm Tốt Có
Không
TTDD Phẳng Có Hạn chế Không Không Không Không Trung
bình Thấp Có thể Có thể GAF Dựa theo Không Hạn chế Không Không Không Không Thấp Tốt Không Không
GEAR Dựa theo
vị trí Không Hạn chế Không Không Không Không Thấp Hạn chế Không không SPAN Dựa theo
vị trí Không Không áp dụng Có Không Không Không Thấp Hạn chế Không Không MER
GEDIR
Dựa theo
vị trí Không Không áp dụng Không Không Không Không Thấp Hạn chế Không Không
GOAFR Dựa theo
vị trí Không Không áp dụng Không Không Không Thấp Tốt không Không
SAR Dựa theo
vị trí Không Không áp dụng Có Có Không Có Trung bình Hạn chế Không Có Speed Dựa theo
QoS Không
Không
áp dụng Không Không Không Có Trung bình Hạn chế Không Có
Bảng 1.1: Phân loại và so sánh các giao thức định tuyến trong mạng WSN 2.3.2 Tổng quan các giao thức dựa trên cấu trúc mạng
Các kiến trúc mạng có thể đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây. Trong phần này sẽ khảo sát các giao thức định tuyến ở dạng này.
+ Giao thức định tuyến phẳng (còn gọi là giao thức định tuyến ngang hàng): Trong giao thức định tuyến phẳng đa bƣớc nhảy (multihop). Trong các mạng phẳng thì mỗi node đóng cùng một vai trò và các nút cảm biến hợp tác với nhau để thực hiện nhiệm vụ cảm biến. Do số lƣợng nút cảm biến rất lớn nên không khả thi để đánh số hiệu ID toàn cầu cho mỗi nút cảm biến. Điều đó dẫn đến dạng định tuyến dữ liệu trung tâm (data centric), ở đó các trạm cơ sở BS gửi các yêu cầu đến các vùng cụ thể và đợi dữ liệu truyền từ các nút cảm biến trong vùng đó về trạm cơ sở BS. Khi dữ liệu đƣợc truy vấn qua các query thì việc đặt tên dựa trên thuộc tính là cần thiết để xác định các đặc tính của dữ liệu. Giao thức định tuyến làm việc trên mô hình định tuyến dữ liệu trung tâm, ví dụ, SPIN và định tuyến truyền trực tiếp (directed diffusion) cho thấy tiết kiệm năng lƣợng qua đàm phán dữ liệu và loại bớt dữ liệu dƣ thừa.
Có thể kể tên các giao thức SPIN, Directed Diffussion, GBR, MCFA..
+ Giao thức định tuyến phân cấp (còn gọi là giao thức định tuyến theo cụm): Định tuyến phân cấp hoặc dựa trên nhóm ban đầu đề xuất cho các mạng có dây, là những công nghệ nổi tiếng với các ƣu điểm đặc biệt liên quan đến khả năng
mở rộng và truyền thông hiệu quả. Kết quả là khái niệm định tuyến phân cấp đƣợc tận dụng để thực hiện định tuyến hiệu quả trong các mạng cảm biến không dây WSNs. Trong một kiến trúc định tuyến phân cấp, các nút có mức năng lƣợng cao dùng để xử lý và gửi thông tin trong khi các nút cảm biến năng lƣợng thấp hơn dùng để cảm nhận các thay đổi trong vùng lân cận với nút cảm biến đích. Việc này nghĩa là tạo lập các nhóm và giao các nhiệm vụ đặc biệt cho trƣởng nhóm (cluster head) có thể đóng góp vào việc mở rộng toàn hệ thống, kéo dài thời gian sống của mạng và sử dụng hiệu quả năng lƣợng. Định tuyến phân cấp là một phƣơng pháp hiệu quả để giảm năng lƣợng tiêu thụ trong một nhóm bằng cách tập hợp dữ liệu và hợp nhất dữ liệu để giảm số thông điệp truyền đến trạm cơ sở BS. Định tuyến phân cấp là định tuyến 2 lớp trong đó một lớp dùng để chọn các trƣởng nhóm và lớp kia dùng để định tuyến.
Có thể kể tên các giao thức LEACH, LEACH-C, LEACH-F, E-LEACH, STAT- CLUSTER, PEGASIS, Hierarchical PEGASIS, Hop PEGASIS.
+ Giao thức định tuyến dựa theo vị trí:
Trong loại định tuyến này, các nút cảm biến đƣợc đánh địa chỉ bằng các vị trí của chúng. Khoảng cách giữa các nút láng giềng đƣợc ƣớc lƣợng dựa trên độ mạnh của tín hiệu. Có thể tính đƣợc tọa độ liên quan của các nút láng giềng bằng cách trao đổi thông tin giữa các nút láng giềng. Thay vào đó, vị trí của các nút cảm biến có thể xác định qua liên lạc với vệ tinh sử dụng GPS nếu các nút cảm biến đƣợc trang bị các bộ thu GPS có nguồn công suất nhỏ. Để tiết kiệm năng lƣợng, một số phƣơng pháp định tuyến dựa trên vị trí yêu cầu các nút đó chuyển sang trạng thái ngủ nếu không có hoạt động gì. Năng lƣợng càng đƣợc tiết kiệm nếu có càng nhiều nút cảm biến trong mạng ở trạng thái ngủ.
CHƢƠNG 3:
GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN THEO MÔ HÌNH PHÂN CẤP 3.1 Giới thiệu
Mạng cảm biến không dây đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức, một trong những thách thức lớn nhất đó là nguồn năng lƣợng bị giới hạn và không thể bổ sung. Vì thế một trong những tiến bộ trong công nghệ mạng cảm biến không dây là nghiên cứu phát triển các giao thức định tuyến có hiệu quả về năng lƣợng.
Giao thức định tuyến theo mô hình phân cấp hay gọi là phân cụm dựa trên giao thức định tuyến mà ban đầu đã đƣợc đề xuất trong mạng có dây. Giao thức định tuyến phân cấp đƣợc biết là những công nghệ nổi tiếng với các ƣu điểm đặc biệt liên quan đến khả năng mở rộng và truyền thông hiệu quả. Sử dụng khái niệm giao thức định tuyến phân cấp hiện trở nên quen thuộc giống nhƣ việc thực hiện định tuyến hiệu quả trong các mạng cảm biến không dây WSN.
Hình 3.1: Cấu trúc của giao thức định tuyến theo mô hình phân cấp
Mạng theo mô hình này sẽ chia toàn bộ hệ thống mạng thành một số cụm khác nhau. Ở đây các nút đƣợc nhóm lại thành các cụm với mỗi cụm có một nút chủ cụm (CH). Nút CH này có trách nhiệm định tuyến các thông tin cảm nhận đƣợc từ các cụm đến BS. Các dữ liệu đƣợc chuyển từ cụm cấp thấp hơn đến các cụm cấp cao hơn và cứ nhƣ vậy cho đến nút gốc (BS), điều này tạo nên một cấu trúc phân
cấp. Trong cấu trúc này, đầu tiên dữ liệu đƣợc tổng hợp trong cụm ở cấp thấp hơn sau đó nó đƣợc gửi đến cụm cấp cao hơn để cuối cùng chuyển đến nút gốc của mạng WSN.
Mô hình phân cấp tốt hơn so với mô hình multi-hop vì thứ nhất, nó có độ trễ ít hơn so với mô hình multi-hop và thứ hai trong mô hình này chỉ mỗi CH thực hiện việc tập hợp dữ liệu, trong khi đó ở mô hình multi-hop mỗi nút đều phải thực hiện tập hợp dữ liệu, đó là lý do nó có hiệu quả rõ rệt. Hình 3.1 trình bày cấu trúc cơ bản của giao thức định tuyến theo mô hình phân cấp. [5][7]
Giao thức định tuyến LEACH là một trong số những cách thực hiện định tuyến phân cấp đầu tiên cho mạng cảm ứng không dây. Ý tƣởng của LEACH là tiền đề cho rất nhiều giao thức định tuyến phân cấp khác phát triển. Ngoài giao thức LEACH, chƣơng này sẽ trình bày các giao thức định tuyến theo mô hình phân cấp khác nhƣ LEACH-C, STAT-CLUSTER và PEGASIS cũng nhƣ trình bày một số ý tƣởng cải tiến giao thức định tuyến theo mô hình phân cấp.[5]
3.2 Giao thức LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) 3.2.1 Mô tả giao thức LEACH 3.2.1 Mô tả giao thức LEACH
Giao thức LEACH là thuật toán phân cụm phân cấp cho các mạng cảm biến gọi là phân cấp cụm thích nghi năng lƣợng thấp. Cơ chế cơ bản của giao thức này là việc chọn một số nút đóng vai trò nút chủ cụm (cluster-head), với số nút CH này là cơ sở để chia mạng thành các cụm (cluster). Quá trình hoạt động của LEACH có hai pha bao gồm pha thiết lập (set-up phase) và pha ổn định (steady state phase). [2] Kỹ thuật chính của giao thức LEACH gồm các thuật toán phân cụm, tự hình thành cụm thích nghi với các nút đƣợc phân bố ngẫu nhiên, định kỳ thay đổi vị trí nút chủ cụm. Nút chủ cụm có chức năng điều khiển các nút trong cụm gửi dữ liệu cho nó theo một chu kỳ nhất định, tại nút chủ dữ liệu sẽ đƣợc thu thập và xử lý tùy thuộc vào từng ứng dụng, trƣớc khi gửi tới trạm gốc. Vì vậy nút chủ sẽ tiêu hao nhiều năng lƣợng hơn các nút thông thƣờng. Mà năng lƣợng của nút cảm biến là giới hạn nên giao thức LEACH cho phép thay đổi việc tạo cụm, thay đổi vị trí nút chủ cụm nhằm chia sẻ sự suy giảm năng lƣợng giữa các nút và kéo dài thời gian
sống của toàn hệ thống. Mạng cảm biến không dây sau thi thiết lập giao thức LEACH đƣợc mô tả nhƣ hình 3.2. [4][5][16]
Hình 3.2: Giao thức LEACH
Trong mạng WSN nếu có các nút cảm biến khá gần nhau thì dữ liệu của các nút đó gửi về trạm gốc có thể tƣơng quan giống nhau, ngƣời dùng cuối không cần yêu cầu tất cả dữ liệu đó hoặc chỉ cần những thông tin đã đƣợc xử lý, trích lọc đủ mô tả những sự kiện xảy ra trong môi trƣờng mà nút cảm biến đƣợc. Giao thức định tuyến LEACH rất phù hợp với những ứng dụng có đặc điểm nhƣ trên. Trong giao thức LEACH dữ liệu cảm biến từ các nút trong phạm vi cụm sẽ đƣợc xử l ý cục bộ tại nút chủ cụm trƣớc khi gửi về trạm gốc, giảm đƣợc lƣợng thông tin dƣ thừa, giảm băng thông trên mạng, do đó tiết kiệm đƣợc năng lƣợng của nút.
3.2.2 Hoạt động của giao thức LEACH
Phần trên đã trình bày khái quát về cơ chế hoạt động của giao thức định tuyến LEACH, phần này sẽ nghiên cứu hoạt động cụ thể của LEACH và nhận xét về ƣu điểm và nhƣợc điểm của giao thức.
Giao thức LEACH hoạt động theo các vòng, mỗi vòng gồm 2 pha, pha thiết lập (set-up phase), trong đó diễn ra quá trình chọn nút chủ và thành lập cụm. Sau pha thiết lập là pha ổn định (steady-state phase), trong pha này xảy ra quá trình truyền dữ liệu lần lƣợt các nút trong cụm đến nút chủ cụm và từ nút chủ cụm đến
trạm gốc (base station). Thời gian của pha ổn định thƣờng dài hơn thời gian của pha thiết lập để tiết kiệm chi phí cho giao thức. Hình 3.3 cho thấy các pha này theo thời gian. [17][18]
Hình 3.3: Các pha của giao thức LEACH theo thời gian 3.2.2.1 Pha thiết lập
Mỗi vòng hoạt động của giao thức LEACH đƣợc bắt đầu bằng pha thiết lập, trong pha thiết lập, bƣớc đầu tiên là lựa chọn nút chủ của từng cụm và sau đó là thành lập cụm
3.2.2.1.1 Lựa chọn nút chủ của cụm
Khi bắt đầu mỗi vòng mới mỗi nút cảm biến n tự quyết định nó có là nút chủ cho vòng này hay không. Quá trình chọn lựa diễn ra nhƣ sau: mỗi nút cảm biến chọn một số ngẫu nhiên giữa 0 và 1. Nếu con số này nhỏ hơn ngƣỡng T(n) thì nút đó trở thành nút chủ. T(n) đƣợc xác định theo phƣơng trình sau:
1 1 mod1 P T (n) = P (r ) p nếu còn lại Trong đó P: tỉ lệ phần trăm nút chủ r: chu kì hiện tại
G: tập hợp các nút không đƣợc lựa chọn làm nút chủ trong 1/P chu kì cuối.
G n 0 ) (n T
Sử dụng ngƣỡng này, mỗi nút sẽ trở thành nút chủ một lần duy nhất trong một chu kỳ 1/P vòng. Cứ hết một chu kỳ 1/P vòng, tất cả nút thiết lập lại giá trị ngẫu nhiên S để bắt đầu một chu kỳ mới. Sau một vòng, giá trị T(n) tăng lên một lƣợng bằng P và sau 1/P -1 vòng thì T(n)=1, vậy các nút chƣa trở thành nút chủ trong 1/P vòng gần nhất chắc chắn sẽ phải đảm nhận vai trò nút chủ tại vòng này. Nhƣ vậy, sau 1/P vòng, tất cả nút mạng đủ điều kiện để trở thành nút chủ duy nhất một lần.
3.2.2.1.2 Thành lập cụm
Mỗi một nút sau khi trở thành nút chủ phải thông báo cho các nút khác trong mạng biết rằng nó đƣợc chọn làm nút chủ ở vòng hiện tại. Để thực hiện điều này, mỗi nút chủ sẽ phát bản tin quảng bá (ADV – Advertise) dùng giao thức CSMA. Bản tin này phải đƣợc quảng bá tới tất cả các nút trong mạng. Thứ nhất là để đảm bảo tất cả các nút lắng nghe bản tin quảng bá để tránh xảy ra đụng độ khi CSMA đƣợc dùng. Thứ hai là không có cơ chế để đảm bảo rằng các nút mà đƣợc chọn là nút chủ cụm sẽ đƣợc phân bố đều trên toàn mạng. Nếu công suất phát bản tin quảng bá bị giảm đi, một số nút ở biên có thể sẽ không nhận đƣợc thông báo và do đó có thể sẽ không còn ở trong cụm của vòng này. Bản tin quảng bá là rất nhỏ, do đó việc tăng công suất phát bản tin này để nó đến đƣợc tất cả các nút trong mạng không phải là một trở ngại. Bởi vậy công suất phát sẽ đƣợc thiết lập ở mức cao vừa đủ để tất cả các nút trong mạng có thể lắng nghe đƣợc bản tin ADV này.
Những nút không phải là nút chủ sẽ quyết định nó sẽ nằm trong cụm nào bằng việc chọn xem nút chủ nào yêu cầu chi phí năng lƣợng giao tiếp thấp nhất dựa trên cƣờng độ của tín hiệu nhận đƣợc từ bản tin quảng bá của mỗi nút chủ.
Sau khi mỗi nút quyết định nó là thành viên của cụm nào, nó sẽ báo cho nút