6. Cấu trúc của luận án
1.7. Định tuyến trong mạng cảm biến không dây
Định tuyến đóng vai trò quan trọng trong mạng cảm biến không dây [4]. Trong các mạng cảm biến nhỏ, nơi các nút cảm biến và một sink nằm gần nhau, truyền thông trực tiếp (single-hop) giữa tất cả các nút cảm biến và sink có thể là khả thi. Tuy nhiên, hầu hết các ứng dụng WSN đòi hỏi một số lượng lớn các nút cảm biến bao phủ các khu vực rộng lớn, đòi hỏi cách tiếp cận truyền thông gián tiếp đa chặng (multi-hop) [29], [30]. Tức là, các nút cảm biến không chỉ phải tạo ra và phổ biến thông tin của riêng mình mà còn phục vụ như các rơle hoặc các nút chuyển tiếp cho các nút cảm biến khác. Quá trình thiết lập các đường dẫn từ nguồn đến một sink thông qua một hoặc nhiều rơle được gọi là định tuyến. Khi các nút của WSN được triển khai theo cách xác định (nghĩa là chúng được đặt ở các vị trí được xác định trước), sự giao tiếp giữa nút và sink có thể thực hiện bằng các tuyến đường được thiết lập trước. Tuy nhiên, khi các nút được triển khai theo cách ngẫu nhiên (nghĩa là chúng được phân tán vào môi trường ngẫu nhiên), kết quả là cấu hình mạng không thể đoán trước. Trong trường hợp này, các nút này cần phải tự tổ chức, nghĩa là chúng phải hợp tác để xác định vị trí của chúng, xác định những nút lân cận và khám phá các đường dẫn đến sink [31], [32].
Với những đặc điểm trên, tất cả các giao thức định tuyến được đề xuất cho mạng cảm biến không dây được chia theo Sink cố định và Sink di động và có thể chia thành những loại chính trong Bảng 1-1 sau:
Bảng 1-1. Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây
STT Loại Sink Loại giao thức Những giao thức
1 Sink cố định Những giao thức định tuyến phân cấp (Hierarchical protocols)
LEACH, PEGASIS
2 Sink cố định Những giao thức định tuyến không đồng nhất
SEP, DEEC, DDEEC,
TDEEC, EDEEC,
EDDEEC, BEENISH 3 Sink cố định Giao thức định tuyến trung
tâm dữ liệu
SPIN, Truyền tin trực
tiếp (Directed
Diffusion), 4 Sink cố định Những giao thức dựa trên vị trí
(Location-based protocols)
GAF, GEAR
5 Sink di động Những giao thức định tuyến dựa trên trạm di động.
MSA, MECA
Một trong những giải pháp sử dụng năng lượng hiệu quả trong định tuyến đó là sử dụng định tuyến phân cấp với kết cụm [33], [34] ngoài việc hỗ trợ khả năng mở rộng mạng, các giao thức định tuyến kết cụm có rất nhiều lợi thế. Nó có thể tự thiết lập các tuyến đường cần thiết trong cụm do đó làm giảm kích thước tuyến đường phải lưu trong bảng định tuyến ở các nút [35] ngoài ra kết cụm còn làm giảm băng thông bởi vì nó giới hạn trong việc truyền thông tin giữa các cụm chủ với nhau và tránh các thông điệp dư thừa giữa các nút cảm biến, hơn nữa có thể ổn định cấu trúc liên mạng, do đó làm giảm chi phí bảo trì mô hình mạng. Đồng thời các cảm biển chỉ có kết nối tới cụm chủ của chúng do đó sẽ không bị ảnh hưởng bởi những thay đổi trong các cụm chủ khác [14]. Mặt khác, cụm chủ còn có thể thực hiện lịch trình trong cụm, nâng cao khả năng hoạt động và kéo dài thời gian hoạt động các nút như lập bảng TDMA để truyền trong cụm để các nút có thể chuyển đổi giữa thời gian hoạt động và thời gian nghỉ nhằm làm giảm việc tiêu thụ năng lượng đồng thời việc lập lịch trình truyền dữ liệu theo thứ tự, quá trình truyền và nhận dữ liệu của các nút được giới hạn có thể tránh được xung đột.
Trong các nghiên cứu hiện tại, kết cụm là phương pháp tiết kiệm năng lượng hiệu quả trong WSN và là các thuật toán kết cụm hiệu quả năng lượng EE (Energy- Efficient), trong đó LEACH [36] là giao thức đầu tiên của phương pháp này. Trong đó, một CH thu thập dữ liệu cảm biến từ các thành viên của nó và gửi chúng đến Sink. Hoạt động tập trung theo cách như vậy các nút phải sử dụng phạm vi truyền tối thiểu để tiết kiệm năng lượng. Điều này có thể được thực hiện bằng cách di chuyển Sink đến gần các nút để thu thập dữ liệu cảm biến. Mục tiêu là làm sao để các nút tiêu thụ năng lượng tối thiểu để duy trì được lâu hơn, từ đó có thể kéo dài thời gian sống của WSN.
Bài toán đặt ra cho đề tài là nghiên cứu các giải thuật và giao thức trong định tuyến trên để cân bằng năng lượng trong mạng cảm biến không dây nhằm đề xuất các hướng giải quyết, khắc phục các vấn đề còn tồn tại của các giải thuật công bố trước đó.