Mục đích chính của định tuyến theo vị trí là sử dụng thông tin định vị để xây dựng công thức tìm tuyến hiệu quả đến đích. Định tuyến theo vị trí rất phù hợp với các mạng cảm biến, với kỹ thuật tập hợp dữ liệu sử dụng phương pháp loại bỏ bản tin thừa giữa các gói từ các nguồn khác nhau, giúp tối thiểu hóa số lần truyền đến trạm gốc. Nhu cầu tập hợp dữ liệu để giảm năng lượng tiêu thụ làm thay đổi mô hình liên lạc và tính toán trong các mạng cảm biến từ mô hình địa chỉ tập trung truyền thống, với quá trình tương tác giữa hai điểm đầu cuối được định địa chỉ cho quá trình liên lạc, đến mô hình tập trung dữ liệu, với nội dung của dữ liệu quan trọng hơn nhận dạng node để tập hợp dữ liệu. Trong mô hình mới, ứng dụng có thể chỉ ra truy vấn để hỏi về hiện tượng trong một khu vực vật lý riêng hoặc gần với vùng lân cận. Ví dụ như, các nhà khoa học phân tích các dạng luồng lưu lượng có thể được quan tâm để xác định số lượng, kích thước và tốc độ trung bình của các phương tiện di chuyển trên đường cao tốc. Việc nhận dạng các bộ cảm biến được sử dụng để tập hợp và phát tán thông tin về luồng lưu lượng trên đường cao tốc không quan trọng bằng nội dung dữ liệu. Ngoài ra, nhiều node được định vị trong các khu vực mục tiêu của đường cao tốc có thể tham gia để tập hợp dữ liệu nhằm
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
trả lời truy vấn. Quá trình tiếp cận định tuyến truyền thống được thiết kế để khám phá một tuyến giữa hai điểm đầu cuối được định địa chỉ, không phù hợp để xử lý các truy vấn đa hướng dành riêng được định vị. Mặt khác, định tuyến theo vị trí giúp cho thông tin vị trí đến được đích, với mỗi vị trí của node được xem như là địa chỉ của node đó.
Thêm vào khả năng tương thích với các ứng dụng tập trung dữ liệu, giao thức định tuyến theo vị trí yêu cầu ít mào đầu liên lạc và tính toán. Trong phương pháp tiếp cận định tuyến truyền thống, ví dụ như một trong các giao thức định tuyến tìm đường đi ngắn nhất trong mạng có dây, việc nắm bắt cấu trúc topo mạng, có thể được yêu cầu cho bộ định tuyến để tính toán đường đi ngắn nhất đến mỗi đích. Ngoài ra, để duy trì tuyến đúng đến tất cả các đích, các bộ định tuyến được gọi sẽ cập nhật trạng thái cấu trúc Topo hiện tại theo chu kỳ và khi xảy ra lỗi liên kết. Việc thường xuyên cập nhật trạng thái cấu trúc Topo có thể dẫn đến mào đầu phụ, tỷ lệ với sản phẩm của số bộ định tuyến và tốc độ thay đổi cấu trúc topo trong mạng.
Mặt khác, định tuyến theo vị trí không yêu cầu duy trì trạng thái “heavy” ở bộ định tuyến để lần theo trạng thái hiện tại của Topo. Giao thức này chỉ yêu cầu quá trình truyền thông tin Topo một chặng, ví dụ như vị trí node lân cận “tốt nhất” để đưa ra quyết định chuyển tiếp đúng. Giao thức định tuyến theo vị trí kết hợp với phương pháp tiếp cận định vị giúp loại bỏ việc duy trì các cấu trúc dữ liệu như các bảng định tuyến. Do đó, mào đầu điều khiển được giảm đáng kể, vì vậy sẽ nâng cao khả năng mở rộng trong mạng lớn. Các thuộc tính này giúp
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
cho giao thức định tuyến theo vị trí trở thành một giải pháp khả thi khi thực hiện định tuyến trong các mạng cảm biến có tài nguyên giới hạn.
Mục tiêu của giao thức định tuyến theo vị trí là sử dụng thông tin vị trí để đưa ra công thức tính cho giải pháp định tuyến hiệu quả hơn mà không yêu cầu giao thức flooding cho các gói truyền qua mạng. Để đạt được mục tiêu này, gói dữ liệu được gửi đến các node được định vị trong khu vực chuyển tiếp được thiết kế. Trong phương pháp này, hay còn gọi là “geocasting”, chỉ các node nằm trong vùng chuyển tiếp được thiết kế mới được phép chuyển tiếp gói dữ liệu. Vùng chuyển tiếp có thể được node nguồn định nghĩa, hoặc được các node trung gian xây dựng để loại bỏ các node là nguyên nhân của đường vòng khi chuyển tiếp gói dữ liệu. Nếu một node không có thông tin liên quan đến đích thì quá trình tìm kiếm tuyến có thể bắt đầu như một quá trình quảng bá định hướng đầy đủ. Các node trung gian đã biết rõ đích đến, sẽ có thể giới hạn vùng chuyển tiếp để định hướng lưu lượng đến đích. Ý tưởng của việc giới hạn quá trình lan truyền gói đến vùng được đăng ký tương ứng với tính chất tập trung dữ liệu của các mạng cảm biến để quan tâm đến nội dung dữ liệu hơn là bộ cảm biến cung cấp dữ liệu. Hiệu quả của giao thức phụ thuộc rất nhiều vào cách mà quá trình chuyển tiếp được định nghĩa và được cập nhật như quá trình truyền dữ liệu đến đích, và sự chênh lệch từ hướng thẳng đến nguồn.
Các giao thức định tuyến dựa trên vị trí có rất nhiều tiềm năng để giảm mào đầu điều khiển và giảm năng lượng, như giao thức flooding cho quá trình tìm node và trạng thái được định vị trong một chặng.
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
Tuy nhiên, hiệu quả của phương pháp phụ thuộc rất nhiều vào mật độ dày đặc của mạng, việc định vị chính xác các node và quan trọng hơn cả là quy tắc chuyển tiếp được sử dụng để đưa lưu lượng đến nguồn.
Các kỹ thuật chuyển tiếp gói:
Một khía cạnh quan trọng của định tuyến theo vị trí là quy tắc được sử dụng để chuyển tiếp lưu lượng đến đích. Trong phương pháp định tuyến dựa trên vị trí, mỗi node sẽ quyết định chặng kế tiếp dựa trên vị trí của nó, vị trí của node lân cận và node đích. Chất lượng của quyết định phụ thuộc vào khả năng mở rộng hiểu biết của node về cấu trúc Topo toàn cầu. Việc nắm bắt cấu trúc Topo cục bộ có thể dẫn đến các đường không tối ưu, như trong Hình 2.12, với node đang giữ các gói sẽ tạo ra quyết định chuyển tiếp chỉ dựa trên hiểu biết về Topo cục bộ [3]”.
Quá trình tìm đường yêu cầu sự hiểu biết về topo của toàn bộ mạng. Tuy nhiên, mào đầu của hiểu biết topo toàn mạng là không phù hợp do tài nguyên giới hạn của mạng cảm biến không dây. Để khắc phục vấn đề này, nhiều giải pháp chuyển tiếp đã được đưa ra.
Đường tối ưu Node giữ gói tin
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
Hình 2.12: Quyết định chuyển tiếp được định vị và toàn cầu hóa.
Phương pháp định tuyến tham lam chọn một node trong các node lân cận gần với đích nhất. Trong Hình 2.13, node đang giữ bản tin là node MH sẽ chọn node GRS là chặng kế tiếp để chuyển tiếp bản in [3].
Hình 2.13: Giải pháp chuyển tiếp định tuyến theo vị trí.
MH NFP GRS GRS Vùng bao phủ
MH: node giữ bản tin MFR
LEF
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
Quá trình xử lý được sử dụng trong phương pháp này sẽ chỉ cân nhắc việc thiết lập của các node gần với đích hơn là gần với node giữ bản tin. Nếu quá trình thiết lập này là rỗng thì quá trình chuyển tiếp sẽ bị lỗi.
Trong giải pháp most – forward – within – R (MFR), với R là phạm vi truyền, node sẽ truyền gói tin để chuyển tiếp giữa các node lân cận đến đích. Dựa trên phương pháp tiếp cận này, chặng kế tiếp sẽ được MH chọn để chuyển tiếp gói là node MFR. Giải pháp tiếp cận tham lam là tạm thời và không thể tối thiểu hóa khoảng cách đến đích.
Phương pháp nearest – forward – progress sẽ chọn node gần nhất với quá trình chuyển tiếp. Dựa trên phương pháp này, node NFP sẽ được MH chọn để chuyển tiếp bản tin đến đích. Node gần với node gần nhất sẽ là một lựa chọn thay thế trong phương pháp tiếp cận này, node đang giữ bản tin sẽ chọn node gần nhất trong tất cả các node lân cận mà node đó gần với đích hơn.
Phương pháp định tuyến la bàn (compassing routing) sẽ chọn node với góc nhỏ nhất giữa các tuyến thẳng của node hiện tại và đích, cùng với tuyến thẳng của node lân cận và đích. Trong hình 2.13, node CMP sẽ được chọn như là chặng kế tiếp để chuyển tiếp lưu lượng đến đích.
Phương pháp chuyển tiếp năng lượng thấp (low – energy forward) sẽ chọn node có thể tối thiểu hóa năng lượng được yêu cầu, được tính theo J/m, để tiến hành chuyển tiếp đến đích. Trong cấu hình mạng ở
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
hình 2.13, node LEF sẽ được MH chọn để chuyển tiếp lưu lượng đến đích.
Khả năng mở rộng và các thuộc tính tập trung dữ liệu của giải pháp định tuyến theo vị trí khiến cho giải pháp này trở nên khả thi trong mạng cảm biến không dây. Tuy nhiên, khả năng ứng dụng của giải pháp được giả thiết là các vị trí của tất cả các node lân cận, hoặc các thuê bao phải biết node giữ bản tin. Thông tin chính xác về vị trí của node là có sẵn từ thiết bị hệ thống định vị toàn cầu (GPS). Điều này trở nên khả thi khi trong các thiết lập, các node cảm ứng có thể được trang bị thiết bị GPS. Tuy nhiên, trong hầu hết các trường hợp, giới hạn về năng lượng và tài nguyên của các node cảm biến đã hạn chế khả năng sử dụng các thiết bị GPS. Để khắc phục hạn chế này, các giải pháp trong các node biên được tăng cường GPS để truy nhập đến thông tin vị trí chính xác được yêu cầu. Các node không có thiết bị GPS có thể sử dụng các thuật toán lưới tam giác (triangularization algorithm) để xác định vị trí của chúng và vị trí của các node lân cận.
Các giải pháp khác giả thiết rằng các node cảm biến không cần biết vị trí của node khác. Các giải pháp này sử dụng hệ thống ảo, trái ngược với các hệ thống vật lý. Việc sử dụng các hệ thống cực ảo, ví dụ như một biểu đồ được gắn nhãn có thể được gắn vào topo mạng gốc. Trong hệ thống này, mỗi node được gắn một nhãn để mã hóa vị trí của node đó trong topo mạng gốc theo bán kính và góc từ vị trí trung tâm. Các hệ thống ảo này không phụ thuộc vào các hệ thống vật lý và vì vậy, có thể được sử dụng một cách hiệu quả trong giải pháp
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
định tuyến theo vị trí bằng cách chỉ sử dụng các nhãn node. Phương pháp này dựa vào các node cảm biến ảo có thể cần để biết về khoảng cách, theo việc đếm chặng, đến các điểm tham khảo cho trước. Do đó, việc này có thể yêu cầu cập nhật theo chu kỳ để có thể thay đổi giữa các node cảm biến và các điểm tham khảo.
Mặc dù đơn giản nhưng phương pháp tiếp cận tham lam với giải pháp định tuyến theo vị trí có thể bị lỗi khi tìm đường, kể cả khi tuyến đã có sẵn hoặc tạo ra các tuyến không hiệu quả. Việc này có thể xảy ra khi, do các vật cản, ví dụ như, không có node lân cận nào gần với node đích hơn node đang giữ bản tin. hình 2.14 biểu diễn vấn đề này với node S1 cần chuyển gói đến đích D [3].
Hình 2.14: Lỗi chuyển tiếp của thuật toán tham lam.
Dựa vào phương pháp tiếp cận tham lam, S1 phải chọn node lân cận gần với đích nhất làm chặng kế tiếp để chuyển tiếp gói. Tuy nhiên, cả hai node S2 và S3 đều ở xa đích hơn nodeS1. Phương pháp
2 S 2 S Vùng cô lập 1 S 3 S D 4 S S5
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
tiếp cận tham lam sẽ bị lỗi chuyển tiếp trong trường hợp này. Trong mạng cảm biến không dây, với các bộ cảm biến được gắn trong môi trường hoặc được triển khai trong các khu vực không tiếp cận được, các khu vực bị cô lập sẽ xuất hiện. Để tránh vùng trống, quy tắc bàn tay phải (right – hand rule) được đưa ra. Quy tắc này gồm có, khi một gói đến node được truyền từ Ni đến nodeNj, thì chặng kế tiếp được chọn theo quy tắc ngược chiều kim đồng hồ từ node Ni và biên của (Ni,Nj). Tuy nhiên, giản đồ này gặp phải trường hợp khi tuyến cắt ngang đường thẳng nối nguồn và đích. Một giải thuật gọi là face traversal nhằm tránh các đường cắt ngang. Nếu tuyến được chọn kế tiếp theo quy tắc bàn tay phải giao Njvới đường thằng nối Ni, thì tuyến được chọn sẽ là tuyến được chọn sẽ là tuyến kế tiếp theo chiều ngược chiều kim đồng hồ.
Quá trình định tuyến có thể được thực hiện như sau. Ban đầu, thuật toán định tuyến bắt đầu ở chế độ tham lam, với sơ đồ đầy đủ. Khi phương pháp tiếp cận tham lam bị lỗi, node sẽ ghi lại vị trí của nó trong gói và chuyển gói đến chế độ chu vi (perimeter). Các tiếp cận kết hợp face traversal và tham lam được mô tả trong hình 2.15 [3].
(4) (1) (5) (3) (2) (6) (7) (8) (9) (10) 2 S 7 S S6 5 S 3 S 8 S 4 S
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
Hình 2.15: Cải thiện chất lượng giao thức định tuyến
Hình vẽ biểu diễn các bước để gói truyền đến đích, sử dụng quy tắc bàn tay phải để tiếp cận biên có đường thằng kết nối node S1 đến đích D. Ở biên, traversal chuyển đến vùng liền kề bị cắt bởi đường thẳng kết nối giữa S1 và D.
Giải pháp định tuyến theo vị trí là một hướng tiếp cận rất thú vị trong mạng cảm biến không dây do sự tương tác được định vị và mào đầu thấp. Sự tồn tại của các liên kết không đối xứng, sự phân bố mạng, và các liên kết chéo đã làm tăng độ phức tạp của phương pháp này.
2.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG
Các thuộc tính của mạng cảm biến không dây và các đặc điểm của môi trường triển khai các node cảm biến, đã khiến cho vấn đề định tuyến trở nên phức tạp. Chương này đã tập trung nghiên cứu về những vấn đề chính của quá trình định tuyến trong mạng cảm biến không dây
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
và mô tả các giải pháp được sử dụng để phát triển các giao thức định tuyến trong các mạng này. Phần đầu của chương tập trung vào các ứng dụng của mạng cảm biến không dây và các đặc trưng riêng của mô hình lưu lượng. Phần thứ hai phân loại các giải pháp định tuyến cơ bản được sử dụng để cân bằng giữa độ nhạy và hiệu quả về năng lượng. Phần ba giới thiệu một số giao thức định tuyến được sử dụng trong mạng cảm biến không dây. Nhiều giải pháp được xem như khả thi với các vấn đề định tuyến của mạng cảm biến không dây. Với sự xuất hiện các ứng dụng mới của mạng cảm biến không dây, đòi hỏi phải có sự nâng cấp về phần cứng và pin để giúp thực hiện các giao thức định tuyến một cách hiệu quả.
CHƯƠNG 3.
GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG
Mạng cảm biến không dây WSN là một tập hợp các node cảm biến để thu thập dữ liệu từ môi trường và gửi dữ liệu đến trạm gốc (node đầu não hoặc node trung tâm). Các lĩnh vực ứng dụng là rất rộng, từ các ứng dụng quân sự, an ninh quốc gia, giám sát, các ứng
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
dụng tòa nhà và văn phòng, giám sát môi trường sống, các ứng dụng y tế và dự báo môi trường. Các đặc điểm chính của mạng cảm biến không dây gồm có giới hạn về năng lượng, mật độ mạng lớn và dày đặc, đồng thời cấu trúc là động. Vấn đề chính của mạng là giới hạn về