2.3.1. Giải pháp định tuyến
Việc định tuyến trong mạng sensor cũng nh− trong các mạng khác đ−ợc thực hiện tại lớp mạng.
Các nút Sensor đ−ợc phân bố dày đặc trong một tr−ờng ở gần hoặc ở ngay bên trong các hiện t−ợng mục tiêu nh− trong hình 1.1. Giao thức định tuyến không dây đa b−ớc phù hợp giữa nút Sensor và nút Sink là cần thiết. Kỹ thuật định tuyến trong mạng ad- hoc thông th−ờng không phù hợp những yêu cầu của mạng Sensor. Lớp mạng của mạng Sensor đ−ợc thiết kế theo những nguyên tắc sau :
- Hiệu suất năng l−ợng luôn là yếu tố quan trọng - Hầu hết các mạng Sensor là số liệu tập trung
- Việc tập hợp số liệu chỉ đ−ợc thực thi khi nó không cản trở hoạt động hợp tác của các nút Sensor .
- Một mạng Sensor lý t−ởng phải nhận biết đ−ợc việc đánh địa chỉ thuộc tính cơ sở và vị trí.
2.3.1.1. Các ph−ơng pháp định tuyến tối −u về năng l−ợng
Các ph−ơng pháp đ−ợc sử dụng để chọn tuyến đ−ờng có hiệu suất năng l−ợng cao đ−ợc minh hoạ trên hình 2.1.
Hình2.1: Hiệu quả năng l−ợng trong định tuyến
Trong đó, T là nút nguồn cảm biến hiện t−ợng mục tiêu. Nó có bốn đ−ờng có thể liên lạc với bộ thu nhận (Sink) nh− sau :
. Đ−ờng 1 : Sink - A - B - T, tổng PA = 4 , tổng α =3 . Đ−ờng 2 : Sink - A - B - C - T , tổng PA = 6 , tổng α= 6 . Đ−ờng 3 : Sink - D - T , tổng PA = 3 , tổng α= 4
. Đ−ờng 4 : Sink - E - F - T , tổng PA = 5 , tổng α= 6
Với PA là mức năng l−ợng hiện tại của nguồn nuôi tại nút (Available Power) và αi là năng l−ợng cần thiết để truyền một gói số liệu qua kết nối liên quan. Theo các tiêu chí khác nhau, có bốn ph−ơng pháp chọn đ−ờng có hiệu quả cao nhất về năng l−ợng.
1) Đ−ờng tổng mức năng l−ợng nguồn nuôi hiện tại (PA:power available) cực đại: là đ−ờng có tổng các mức năng l−ợng nguồn nuôi hiện tại của các nút liên quan lớn nhất. PA tổng đ−ợc tính bằng tổng các PA của mỗi nút dọc theo đ−ờng. Theo ph−ơng pháp này, đ−ờng 2 đ−ợc lựa chọn. Tuy nhiên, đ−ờng 2 lại bao gồm những nút trong đ−ờng 1 và một nút mở rộng. Vì thế, dù có PA tổng cao hơn nh−ng nó không phải là đ−ờng có
hiệu suất năng l−ợng cao nhất. Nh− vậy, những đ−ờng nhận đ−ợc từ việc mở rộng các đ−ờng có thể kết nối Sensor tới Sink sẽ không đ−ợc tính. Loại trừ đ−ờng 2, đ−ờng 4 là đ−ờng có hiệu suất năng l−ợng cao nhất khi sử dụng ph−ơng pháp PA tối đa.
2) Đ−ờng năng l−ợng cực tiểu (ME: minimum energy): đ−ờng mà năng l−ợng tiêu thụ cực tiểu khi truyền một gói số liệu giữa nút Sink và nút Sensor đ−ợc gọi là đ−ờng ME. Nh− vậy đ−ờng ME là đ−ờng có tổng các α nhỏ nhất. Trong ví dụ này, đ−ờng 1 là đ−ờng ME.
3) Đ−ờng có số b−ớc nhảy cực tiểu (MH: minimum hop): là đ−ờng có số liên kết từ nút Sensor nguồn tới nút Sink là nhỏ nhất. Đ−ờng 3 trong ví dụ này là đ−ờng có hiệu suất cao nhất theo tiêu chí này. L−u ý rằng ph−ơng pháp ME sẽ chọn ra đ−ờng t−ơng tự nh− ph−ơng pháp MH khi năng l−ợng tiêu thụ cho việc truyền một gói tin ở tất cả các liên kết đều nh− nhau, tức là tất cả α ở mọi liên kết đều bằng nhau. Vì thế, khi các nút phát quảng bá với cùng mức năng l−ợng mà không có bất kì sự điều khiển năng l−ợng nào, MH là t−ơng đ−ơng với ME.
4) Đ−ờng có PA cực tiểu lớn nhất (Maximum minimum PA nút): là đ−ờng mà dọc theo nó, PA cực tiểu lớn hơn các PA cực tiểu của các đ−ờng khác. Theo tiêu chí này, đ−ờng 3 là đ−ờng có hiệu suất năng l−ợng cực đại và đ−ờng 1 là đ−ờng có hiệu suất lớn thứ hai. Ph−ơng pháp này ngăn ngừa việc sử dụng các nút Sensor có PA thấp sớm trong khi có thể sử dụng các nút khác có PA cao hơn. Nh− thế có thể tránh đ−ợc hiện t−ợng một số nút bị cạn nguồn năng l−ợng sớm làm ảnh h−ởng đến hoạt động toàn mạng.
2.3.1.2. Ph−ơng pháp định tuyến số liệu tập trung
Một vấn đề quan trọng khác của lớp mạng là định tuyến có thể dựa trên việc tập trung số liệu. Trong định tuyến số liệu tập trung, việc phổ biến các yêu cầu (các nội dung đ−ợc quan tâm) đ−ợc thực hiện nhằm phân nhiệm vụ cảm biến tới các nút Sensor. Có hai ph−ơng pháp đ−ợc sử dụng để phổ biến yêu cầu là: nút Sink phổ biến nội dung đ−ợc quan tâm tới các nút Sensor cần thiết và các nút Sensor phát quảng bá một quảng cáo cho số liệu có sẵn và đợi một yêu cầu từ các nút Sink có nhu cầu về các số liệu này. Định tuyến số liệu tập trung yêu cầu phải đặt tên thuộc tính cơ sở. Nguyên nhân cần phải đặt tên thuộc tính cơ sở là ng−ời sử dụng th−ờng quan tâm tới truy vấn thuộc tính của hiện t−ợng hơn là truy vấn tới một nút riêng lẻ. Ví dụ, “những khu vực nơi nhiệt độ v−ợt quá 70 độ F” là một truy vấn đ−ợc sử dụng th−ờng xuyên hơn là “nhiệt độ đ−ợc đọc bởi một nút nào đó”. Việc đặt tên thuộc tính cơ sở đ−ợc sử dụng để truy vấn về các thuộc tính của hiện t−ợng. Với việc đặt tên thuộc tính cơ sở, các ph−ơng thức phát quảng bá, phát đến một nhóm theo thuộc tính cơ sở (attribute-based multicasting), phát
theo địa lý (geo-casting), phát bất kỳ ( any-casting ) trở lên quan trọng đối với mạng Sensor .
Tập hợp số liệu là một kỹ thuật đ−ợc sử dụng để giải quyết những vấn đề trùng lặp và chồng chéo trong định tuyến số liệu tập trung. Trong kỹ thuật này, một mạng Sensor đ−ợc mô tả với cấu trúc cây phát đa điểm đảo ng−ợc (reverse multicast tree) nh− trong hình 2.2.
Hình 2.2: Ví dụ về tập hợp số liệu
Bộ thu nhận (Sink) yêu cầu các nút Sensor báo cáo về trạng thái xung quanh hiện t−ợng. Số liệu từ nhiều nút Sensor đ−ợc tập hợp lại khi chúng tới cùng một nút trên đ−ờng đến nút Sink nếu chúng cùng chỉ về một thuộc tính của hiện t−ợng. Trong ví dụ trên, nút Sensor E tập hợp số liệu từ các nút Sensor A và B. Trong khi đó, nút Sensor F tập hợp số liệu từ các nút Sensor C và D. Việc tập hợp số liệu có thể đ−ợc hiểu nh− là một nhóm các ph−ơng pháp tự động kết hợp số liệu tới từ nhiều nút Sensor thành một tập thông tin có nghĩa. Về mặt này, việc tập hợp số liệu đ−ợc xem nh− là hợp nhất số liệu. Ngoài ra, sự cẩn trọng là rất cần thiết khi tập hợp số liệu bởi các đặc tr−ng của số liệu, nh− vị trí của những nút Sensor báo cáo, không cho phép đ−ợc bỏ sót. Những đặc tr−ng nh− vậy có thể rất cần thiết cho một ứng dụng nào đó.
2.3.1.3. Các giao thức lớp mạng khác đ−ợc đề xuất cho mạng Sensor
a) Mạng truyền thông với năng l−ợng cực tiểu loại nhỏ ( SMECN : Small Minimum Energy Communication Network ): giao thức MECN đ−ợc phát triển để tính toán một mạng con có hiệu suất năng l−ợng cao trong một mạng truyền thông nhất định. Một thuật toán mới đ−ợc gọi là SMECN đ−ợc đề xuất cũng nhằm cung cấp một mạng con nh− vậy. Mạng con, tức là một l−ợc đồ con, đ−ợc cấu trúc bởi SMECN nhỏ hơn mạng con đ−ợc cấu trúc bởi MECN nếu vùng phát quảng bá là hình tròn với công suất nhất định. L−ợc đồ con G của l−ợc đồ G’, mô tả mạng Sensor, tối thiểu năng l−ợng sử dụng với các điều kiện sau: số cạnh trong l−ợc đồ con G nhỏ hơn trong l−ợc đồ G’ gồm tất
cả nút trong G’, nếu hai nút u và v đ−ợc kết nối trong G’ , chúng cũng đ−ợc kết nối trong G; năng l−ợng cần thiết để truyền số liệu từ nút u tất cả các nút lân cận trong l−ợc đồ con G nhỏ hơn năng l−ợng 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 đ−ờng ME trong l−ợc đồ con G giữa u và v với mọi cặp
(u,v) đ−ợc 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. Đ−ờng dẫn giữa u
(tức là u0) và v ( ví dụ uk) đ−ợc đặc tr−ng bởi r , với r = ( u0, u1,..,uk) trong l−ợc 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 đ−ờng r là một đ−ờng ME từ u0 tới uk nếu C(r) ≤ C(r)’ với mọi đ−ờng r’ giữa nút u0 và uk trong G’. Nh− vậy, một l−ợc đồ con có đặc tính ME nếu với tất cả các cặp (u,v) thuộc V, có tồn tại một đ−ờng r trong G là một đ−ờng ME giữa u và v trong G’.
b) Giao thức tràn (Flooding): thuật tràn là một kỹ thuật cũ có thể cũng đ−ợc 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 đ−ợc số b−ớc 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 đ−ờng 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 đ−ợc 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 đ−ợc 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 đ−ợc các bản tin sao lại.
+ Sự mù tài nguyên (Resource Blindness): giao thức tràn không đ−a vào báo cáo các tài nguyên năng l−ợng hiện tại. Một giao thức nhận biết đ−ợc tài nguyên năng l−ợng phải đ−a vào báo cáo mức năng l−ợng 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 đ−ợc 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 đ−ợc số liệu, nó lại lựa chọn ngẫu nhiên một nút Sensor khác. Mặc dù ph−ơng pháp này tránh đ−ợc vấn đề trùng lặp (Implosion) do chỉ có một bản sao của bản tin tại một nút bất kỳ, nh−ng 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 đ−ợc gọi là SPIN đ−ợc thiết kế để khắc phục nh−ợc điểm của giao thức tràn (Flooding) cổ điển bằng thỏa thuận và khả năng thích ứng tài nguyên. Họ giao thức SPIN đ−ợc thiết kế dựa trên hai ý t−ởng cơ bản: 1) Các nút Sensor hoạt động hiệu quả hơn và có thể bảo tồn năng l−ợng 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 l−ợng của chúng.
SPIN có ba kiểu bản tin là ADV (quảng cáo), REQ (yêu cầu) và DATA (số liệu). Tr−ớc 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 b−ớc 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 đ−ợc gửi tới nút Sensor này nh− các b−ớc 2 và 3 trên hình 2.3. Nút Sensor này lại lặp lại tiến trình trên nh− chỉ ra ở b−ớc 4, 5, 6. Kết quả là tất cả các nút Sensor trong toàn mạng Sensor có nhu cầu về số liệu này sẽ nhận đ−ợc bản sao của số liệu.
Hình2.3: Giao thức SPIN
L−u 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) đ−ợc 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 b−ớc 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 l−ợng dịch vụ (QoS) quá thấp (tức là thông l−ợng thấp / trễ cao) và dự trữ năng l−ợng 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 đ−ợc gắn với mỗi đ−ờng dẫn (nhánh cây) trở về Sink:
+ Khả năng về năng l−ợng: khả năng năng l−ợng đ−ợc đánh giá bằng số l−ợng gói mà nút Sensor có thể gửi nếu nút Sensor sử dụng duy nhất đ−ờng này.
Thuật toán SAR lựa chọn đ−ờng dựa trên các khả năng về năng l−ợng và việc đo QoS cộng thêm của mỗi đ−ờng và mức −u tiên của gói. Kết quả là mỗi nút Sensor sẽ lựa chọn đ−ợc đ−ờng để nó định tuyến cho số liệu về Sink.
Ngoài ra, hai thuật toán khác đ−ợc gọi là “tuyển chọn một ng−ời chiến thắng” (single winner election) và “tuyển chọn nhiều ng−ời 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 l−ợng 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 l−ợng 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 l−ợng lớn trong truyền thông với các trạm gốc đ−ợc trải ra tới tất cả các nút Sensor trong mạng Sensor. Hoạt động của LEACH đ−ợc 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