a) Mạng truyền thông với năng lợng cực tiểu loại nhỏ ( SMECN : Small Minimum Energy Communication Network ): giao thức MECN đợc phát triển để tính toán một mạng con có
là SMECN đợc đề xuất cũng nhằm cung cấp một mạng con nh vậy. Mạng con, tức là một lợc đồ con, đợc cấu trúc bởi SMECN nhỏ hơn mạng con đợc cấu trúc bởi MECN nếu vùng phát quảng bá là hình tròn với công suất nhất định. Lợc đồ con G của lợc đồ G’, mô tả mạng Sensor, tối thiểu năng lợng sử dụng với các điều kiện sau: số cạnh trong lợc đồ con G nhỏ hơn trong lợc đồ G’ gồm tất cả nút trong G’, nếu hai nút u và v đợc kết nối trong G’ , chúng cũng đợc kết nối trong G; năng lợng cần thiết để truyền số liệu từ nút u tất cả các nút lân cận trong lợc đồ con G nhỏ hơn năng lợng cần thiết để truyền số liệu tới tất cả các nút lân cận trong G’. SMECN cũng tuân theo đặc tính ME mà MECN sử dụng để cấu trúc nên mạng con. Đặc tính ME là có tồn tại một đờng ME trong lợc đồ con G giữa u và v với mọi cặp (u,v) đợc kết nối trong G’.
Công suất cần thiết để truyền số liệu giữa u và v tính nh sau: p(u,v) = td(u,v)n , với t là một hằng số, d(u,v) là khoảng cách giữa u và v và n ≥ 2 là hàm mũ suy giảm bởi truyền dẫn vô tuyến. Ngoài ra, công suất cần thiết để nhận số liệu là c . Vì p(u,v) tăng lên theo luỹ thừa n (n ≥ 2) của khoảng cách giữa u và v, công suất chuyển tiếp số liệu có thể nhỏ hơn công suất truyền dẫn số liệu trực tiếp giữa nút u và v. Đờng dẫn giữa u (tức là u0) và v ( ví dụ uk) đợc đặc trng bởi r , với r = ( u0, u1,..,uk) trong lợc đồ con G = (V,E) là một dãy có thứ tự của các nút nh cặp (ui, ui+1) thuộc E . Ngoài ra, độ dài của r là k . Tổng công suất tiêu thụ giữa các nút u0 và uk là:
Với p(ui,ui+1) là công suất cần thiết để truyền dẫn số liệu giữa nút ui và ui+1; và c là công suất cần thiết để nhận số liệu. Tuyến đờng r là một đờng ME từ u0 tới uk nếu C(r) ≤ C(r)’ với mọi đờng r’ giữa nút u0 và uk trong G’. Nh vậy, một lợc đồ con có đặc tính ME nếu với tất cả các cặp (u,v) thuộc V, có tồn tại một đờng r trong G là một đờng ME giữa u và v trong G’.
b) Giao thức tràn (Flooding): thuật tràn là một kỹ thuật cũ có thể cũng đợc sử dụng để
định tuyến trong mạng Sensor. Trong thuật tràn, mỗi nút đang nhận một gói số liệu hoặc một gói điều khiển lặp lại nó bằng cách phát quảng bá, trừ khi gói này đã đạt đợc số bớc nhảy cực đại cho phép hoặc gói đã tới đích. Thuật tràn là một kỹ thuật phản ứng và nó không cần duy trì kiến trúc mạng đắt tiền và thuật toán tìm đờng phức tạp. Tuy nhiên, nó có một vài hạn chế nh :
+ Sự trùng lặp (Implosion): trùng lặp là một trạng thái mà các bản sao của gói tin đợc gửi tới cùng một nút. Ví dụ, nếu một nút Sensor A có N nút Sensor lân cận mà đó cũng là những nút lân cận của nút Sensor B, nút Sensor B nhận N bản sao của bản tin đợc gửi đi bởi nút Sensor A.
+ Sự chồng lấn (Overlap): nếu hai nút chia sẻ cùng một vùng quan sát, cả hai nút có thể cảm nhận cùng một kích thích tại cùng một thời điểm. Kết quả là các nút lân cận nhận đợc các bản tin sao lại.
+ Sự mù tài nguyên (Resource Blindness): giao thức tràn không đa vào báo cáo các tài nguyên năng lợng hiện tại. Một giao thức nhận biết đợc tài nguyên năng lợng phải đa vào báo cáo mức năng lợng của các nút tại mọi thời điểm .
c) Giao thức dây truyền (Gossiping): với giao thức dây truyền, các nút không phát quảng bá
mà gửi đi những gói tới tới một nút lân cận đợc chọn ngẫu nhiên. Một nút Sensor lựa chọn ngẫu nhiên một trong các nút lân cận để gửi số liệu. Khi nút lân cận đó nhận đợc số liệu, nó lại lựa chọn ngẫu nhiên một nút Sensor khác. Mặc dù phơng pháp này tránh đợc vấn đề trùng lặp (Implosion) do chỉ có một bản sao của bản tin tại một nút bất kỳ, nhng nó phải mất một thời gian khá dài để truyền bản tin tới tất cả các nút Sensor.
d) Các giao thức thông tin Sensor thông qua thỏa thuận (Sensor Protocols for Information via Negotiation-SPIN): một họ các giao thức có khả năng thích ứng đợc gọi là SPIN đợc thiết kế
để khắc phục nhợc điểm của giao thức tràn (Flooding) cổ điển bằng thỏa thuận và khả năng thích ứng tài nguyên. Họ giao thức SPIN đợc thiết kế dựa trên hai ý tởng cơ bản: 1) Các nút Sensor hoạt động hiệu quả hơn và có thể bảo tồn năng lợng bằng cách chỉ gửi các số liệu mô tả về số liệu cảm biến thay vì gửi toàn bộ số liệu; 2) Các nút Sensor phải giám sát sự thay đổi trong tài nguyên năng lợng của chúng.
SPIN có ba kiểu bản tin là ADV (quảng cáo), REQ (yêu cầu) và DATA (số liệu). Trớc khi gửi bản tin DATA, Sensor phát quảng bá một bản tin ADV gồm một bản mô tả (meta-data) của DATA chỉ ra trong bớc 1 trên hình 2.3. Nếu một nút Sensor lân cận quan tâm đến số liệu này, nó sẽ gửi một bản tin REQ về số liệu và bản tin DATA sẽ đợc gửi tới nút Sensor này nh các bớc 2 và 3 trên hình 2.3. Nút Sensor này lại lặp lại tiến trình trên nh chỉ ra ở bớc 4, 5, 6. Kết quả là tất cả các nút Sensor trong toàn mạng Sensor có nhu cầu về số liệu này sẽ nhận đợc bản sao của số liệu.
Hình2.3: Giao thức SPIN
Lu ý rằng SPIN dựa trên định tuyến số liệu tập trung trong đó các nút Sensor phát quảng bá một quảng cáo đối với số liệu có sẵn và đợi một yêu cầu từ các nút Sink có nhu cầu.
e) Định tuyến chỉ định liên tục (Sequential Assignment Routing-SAR): một tập hợp các các
thuật toán thực hiện các hoạt động tổ chức, quản trị và quản lý di động trong mạng Sensor đ- ợc đề xuất. MAC tự tổ chức cho mạng Sensor (Self Organizing MAC for Sensor network- SMACS) là một giao thức phân tán cho phép một nhóm các nút Sensor có thể phát hiện ra các nút lân cận của chúng và thiết lập các tiến trình truyền / nhận mà không cần tới hệ thống quản lý trung tâm. Thuật toán nghe trộm và ghi lại (Eavesdrop And Register-EAR) đợc thiết kế để hỗ trợ kết nối liền mạch của các nút di động. Thuật toán EAR dựa trên những bản tin mời (Invitation) và dựa trên việc ghi lại các nút tĩnh của các nút di động. Thuật toán SAR tạo nên nhiều nhánh cây, trong đó, gốc của mỗi nhánh cây là một bớc nhảy giữa nút lân cận và nút Sink. Mỗi nhánh cây phát triển ra phía ngoài từ nút Sink và tránh các nút có chất lợng dịch vụ (QoS) quá thấp (tức là thông lợng thấp / trễ cao) và dự trữ năng lợng quá ít. Kết thúc thủ tục này, phần lớn các nút thuộc về các nhánh cây này. Điều này cho phép nút Sensor có thể lựa chọn một cây để chuyển thông tin của nó về Sink. Có hai tham số đợc gắn với mỗi đờng dẫn (nhánh cây) trở về Sink:
+ Khả năng về năng lợng: khả năng năng lợng đợc đánh giá bằng số lợng gói mà nút Sensor có thể gửi nếu nút Sensor sử dụng duy nhất đờng này.
Thuật toán SAR lựa chọn đờng dựa trên các khả năng về năng lợng và việc đo QoS cộng thêm của mỗi đờng và mức u tiên của gói. Kết quả là mỗi nút Sensor sẽ lựa chọn đợc đờng để nó định tuyến cho số liệu về Sink.
Ngoài ra, hai thuật toán khác đợc gọi là “tuyển chọn một ngời chiến thắng” (single winner election) và “tuyển chọn nhiều ngời chiến thắng” (multiwinner election) điều khiển việc báo hiệu cần thiết và các nhiệm vụ chuyển giao số liệu trong xử lý thông tin hợp tác nội bộ .
f) Phân cấp cụm thích ứng với năng lợng thấp (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy- LEACH ): LEACH là một giao thức lập cụm cơ sở (Clustering - Based) nhằm tối thiểu sự suy
hao năng lợng trong mạng Sensor. Mục đích của LEACH là chọn ngẫu nhiên các nút Sensor nh các đầu cụm (cluster-head), vì thế sự suy hao năng lợng lớn trong truyền thông với các trạm gốc đợc trải ra tới tất cả các nút Sensor trong mạng Sensor. Hoạt động của LEACH đợc chia thành hai giai đoạn là giai đoạn thiết lập và giai đoạn ổn định. Khoảng thời gian của giai đoạn ổn định dài hơn so với khoảng thời gian của giai đoạn thiết lập để giảm thiểu phụ tải (overhead).
Trong giai đoạn thiết lập, một nút Sensor chọn một số ngẫu nhiên giữa 0 và 1. Nếu số ngẫu nhiên này nhỏ hơn ngỡng T(n), nút Sensor này là một đầu cụm. T(n) đợc tính nh sau :
Với P là phần trăm mong muốn để trở thành một đầu cụm; r là chu kỳ hiện tại và G là tập các nút không đợc chọn làm đầu cụm trong 1/P chu kỳ cuối. Sau khi đầu cụm đợc lựa chọn, các đầu cụm sẽ thông báo tới tất cả các nút Sensor trong mạng rằng chúng là các đầu cụm mới. Khi các nút Sensor nhận đợc thông báo này, chúng xác định cụm mà chúng muốn gia nhập dựa trên độ mạnh tín hiệu của thông báo từ các đầu cụm tới các nút Sensor. Các nút Sensor báo cáo cho đầu cụm thích hợp rằng chúng sẽ là một thành viên của một cụm. Sau đó, đầu cụm chỉ định thời điểm mà các nút Sensor có thể gửi số liệu dựa trên phơng pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA).
Trong giai đoạn ổn định, các nút Sensor sẽ cảm biến và truyền số liệu tới đầu cụm. Đầu cụm cũng tập hợp số liệu từ các nút trong cụm của chúng trớc khi gửi những số liệu này tới trạm gốc. Sau một khoảng thời gian ổn định nào đó, mạng vào lại bắt đầu giai đoạn thiết lập và vào chu kỳ mới trong việc lựa chọn những đầu cụm.
g) Phơng thức truyền tin có định hớng (Directed Diffusion): trong mô hình phổ biến số
liệu đợc truyền theo định hớng, nút Sink gửi yêu cầu mô tả về nhiệm vụ (Task Description) tới tất cả các nút Sensor nh chỉ ra trong hình 2.4(a). Các mô tả nhiệm vụ đợc đặt tên bằng việc gán các cặp giá trị thuộc tính mô tả nhiệm vụ. Mỗi nút Sensor sau đó lu trữ mục yêu cầu (Interest Entry) trong cạc (Cache) nhớ của nó. Mục yêu cầu bao gồm một trờng nhãn thời
gian và các trờng chỉ hớng (Gradient field). Khi yêu cầu của Sink đợc truyền xuyên qua mạng, các chỉ hớng (Gradient) từ nguồn trở về nút nhận đợc thiết lập nh trong hình 2.4(b). Khi nguồn có số liệu theo yêu cầu, nguồn sẽ gửi số liệu dọc theo các chỉ hớng nh trong hình 2.4(c). Việc truyền phát, tập hợp số liệu và yêu cầu đợc xác định một cách cục bộ. Ngoài ra, bộ nhận phải làm mới lại và tăng cờng các yêu cầu khi nó bắt đầu nhận số liệu từ nguồn. Chú ý phơng thức truyền tin có định hớng dựa trên định tuyến số liệu tập trung trong đó, bộ nhận quảng bá yêu cầu.
Hình 2.4: Ví dụ về truyền tin định hớng: (a) Phát yêu cầu, (b) Thiết lập định hớng, (c) gửi số liệu.