Đảm bảo định tuyến hiệu quả trong mạng WSN phải đối mặt với nhiều thách thức do ảnh hƣởng của truyền thông không dây và do các đặc thù của mạng cảm biến. Sau đây sẽ trình bày một số thách thức chính phải đối mặt trong vấn đề định tuyến trong mạng WSN.
Mức tiêu thụ năng lƣợng
Mục tiêu chính của các giao thức định tuyến là cung cấp hiệu quả thông tin giữa các nút cảm biến và Sink. Vì mụch đích này, tiêu thụ năng lƣợng là vấn đề quan tâm chính trong phát triển của bất kỳ giao thức định tuyến cho mạng WSN. Bởi vì năng lƣợng hạn chế của các nút cảm biến, dữ liệu cần phải đƣợc chuyển giao một cách tiết kiệm năng lƣợng nhất mà không ảnh hƣởng đến tính chính xác của nội dung thông tin. Do đó, nhiều thông số định tuyến thông thƣờng và các kĩ thuật định tuyến đã có nhƣ các thuật toán đƣờng đi ngắn nhất có thể
không phù hợp với mạng WSN. Thay vào đó, các nguyên nhân tiêu thụ năng lƣợng cần đƣợc nghiên cứu một cách cẩn thận và các thông số định tuyến hiệu quả năng lƣợng mới đƣợc phát triển cho mạng WSN. Nguyên nhân chính của tiêu thụ năng lƣợng cho định tuyến trong mạng WSN có thể đƣợc phân chia nhƣ sau:
Phát hiện vùng lân cận: Nhiều giao thức định tuyến yêu cầu mỗi nút cần
trao đổi thông tin giữa chúng và các nút hàng xóm. Các thông tin đƣợc trao đổi có thể thay đổi tùy theo các kỹ thuật định tuyến. Trong khi hầu hết các giao thức định tuyến địa lý đòi hỏi kiến thức về vị trí của các nút hàng xóm, một giao thức hƣớng dữ liệu có thể yêu cầu nội dung thông tin quan sát đƣợc của mỗi cảm biến xung quanh. Trong cả hai trƣờng hợp, các nút tiêu thụ năng lƣợng trong việc trao đổi thông tin này thông qua các phƣơng tiện không dây, làm tăng chi phí của các giao thức. Do đó để nâng cao hiệu quả năng lƣợng của các giao thức định tuyến, việc trao đổi thông tin địa phƣơng giữa các nút nên đƣợc giảm thiểu mà không cản trở việc định tuyến chính xác.
Truyền thông so với tính toán: Việc tính toán là rẻ hơn nhiều so với
truyền thông về mặt tiêu thụ năng lƣợng. Ngoài ra trong mạng WSN, mục tiêu là để cung cấp thông tin thay vì các gói cá nhân. Do đó, ngoài các kỹ thuật chuyển mạch gói thông thƣờng, việc tính toán nên cũng đƣợc tích hợp với định tuyến để cải thiện mức tiêu thụ năng lƣợng, ví dụ nhƣ dữ liệu từ nhiều nút có thể đƣợc tổng hợp thành một gói duy nhất để giảm lƣu lƣợng truyền mà không cản trở nội dung thông tin. Tƣơng tự nhƣ vậy, tính toán tại mỗi nút chuyển tiếp có thể đƣợc sử dụng để ngăn chặn thông tin dƣ thừa.
Khả năng mở rộng
Số lƣợng nút cảm biến có thể là hàng trăm, hàng nghìn hoặc có thể nhiều hơn. Bất kỳ phƣơng pháp định tuyến nào cũng phải có khả năng làm việc với một số lƣợng lớn các nút cảm biến.
Đánh địa chỉ
Vì mạng WSN có số lƣợng lớn các nút nên việc gắn địa chỉ cho mỗi nút là khó khả thi. Trong khi cơ chế đánh địa chỉ địa phƣơng vẫn có thể đƣợc sử dụng để tạo điều kiện truyền thông giữa các nút hàng xóm, giao thức định tuyến dựa trên địa chỉ không khả thi vì các địa chỉ lớn cho mỗi truyền thông. Do đó, phần lớn các giao thức định tuyến mạng ad hoc không thể đƣợc áp dụng cho mạng WSN vì các giao thức này đòi hỏi địa chỉ duy nhất cho mỗi nút trong mạng. Hơn nữa, ngƣời sử dụng quan tâm đến thông tin tập hợp từ nhiều nút cảm biến liên quan đến một hiện tƣợng vật lý thay vì thông tin từ các cảm biến cá nhân. Do
đó, cơ chế đánh địa chỉ mới hoặc các kỹ thuật định tuyến mới mà không yêu cầu định danh duy nhất cho mỗi nút đƣợc đặt ra.
Độ bền vững
Trong mạng WSN, các nút thƣờng là truyền thông đa chặng và các giao thức định tuyến hoạt động trên các nút cảm biến thay vì các bộ định tuyến chuyên dụng nhƣ trên mạng Internet. Các thành phần với chi phí thấp đƣợc sử dụng trong các nút cảm biến có thể bị lỗi đến mức mà nút cảm biến có thể không hoạt động. Kết quả là, các giao thức định tuyến phải cung cấp tính bền vững để ngăn chặn trƣờng hợp nút ngừng hoạt động và tình huống điểm-thất-bại bại đơn, nơi mà các thông tin bị mất nếu một nút cảm biến chết. Ngoài ra kênh không dây cũng bị mất trong quá trình truyền thông. Ngoài tính bền vững chống lại tình trạng nút hỏng, giao thức định tuyến phải đảm bảo rằng hiệu quả của các giao thức không dựa vào một gói duy nhất có thể bị mất. Ngay cả trong điều kiện rất khắc nghiệt với các lỗi kênh thƣờng xuyên, giao thức định tuyến phải cung cấp phân phối hiệu quả giữa nút cảm biến và Sink.
Tô pô mạng
Việc triển khai các nút mạng của mạng WSN có thể xác định trƣớc hoặc theo chiến lƣợc ngẫu nhiên. Với một tôpô xác định trƣớc thì có thể xây dựng đƣợc một giao thức định tuyến hiệu quả. Tuy nhiên với mạng WSN thì tôpô không phải lúc nào cũng cố định. Tô pô mạng WSN có thể thay đổi do sự di động của các nút cảm biến, các Sink hoặc có thể do nút bị sự cố, nút đang ở chế độ ngủ (sleep), do các nút mới đƣợc bổ sung sẽ làm ảnh hƣởng đến định tuyến do đó giao thức cũng cần thích nghi với những thay đổi trong tô pô mạng. Việc thiết lập và bảo trì tô pô mạng WSN có thể chia làm ba giai đoạn nhƣ sau:
- Giai đoạn tiền triển khai và triển khai các nút cảm biến: các nút cảm biến thƣờng đƣợc triển khai trong môi trƣờng một cách ngẫu nhiên nhƣ rải từ máy bay xuống, do con ngƣời hoặc rô bốt trực tiếp rải…
- Giai đoạn hậu triển khai: Sau khi các nút cảm biến đƣợc triển khai vào môi trƣờng, các nút thƣờng bị thay đổi vị trí ban đầu do nút tự di động hoặc các nút cảm biến ngừng hoạt động do hỏng hóc. Ngoài ra các liên kết giữa các nút mạng cũng thƣờng bị ảnh hƣởng bởi nhiễu và các vật cản,.. Do đó tô pô mạng sau khi triển khai thƣờng xuyên bị thay đổi.
- Giai đoạn tái triển khai: để mạng WSN tiếp tục hoạt động thì có thể sẽ phải bổ sung thêm các nút cảm biến mới vào mạng. Khi đó phải tạo ra các liên kết mới để duy trì tuổi thọ của mạng WSN.
Ứng dụng
Các loại ứng dụng cũng rất quan trọng cho việc thiết kế các giao thức định tuyến. Với các ứng dụng giám sát, thƣờng là các nút truyền quan sát của chúng cho Sink một cách định kỳ. Kết quả là, các tuyến đƣờng cố định có thể đƣợc sử dụng để duy trì phân phối hiệu quả của các quan sát trong suốt cuộc đời của mạng. Trong các ứng dụng dựa trên sự kiện thì các mạng cảm biến ở trạng thái ngủ phần lớn thời gian. Tuy nhiên, bất cứ khi nào một sự kiện xảy ra, các tuyến đƣờng phải đƣợc tạo ra để cung cấp các thông tin sự kiện một cách kịp thời. Ngoài ra, vị trí sự kiện không cố định vì nó liên quan trực tiếp đến sự kiện nên các tuyến đƣờng mới sẽ đƣợc tạo ra cho mỗi sự kiện. Có thể thấy rằng các kỹ thuật định tuyến liên quan trực tiếp đến các ứng dụng và kỹ thuật định tuyến khác nhau có thể đƣợc yêu cầu cho các loại ứng dụng khác nhau.