Truyền tin trực tiếp (Directed diffusion) là giao thức định tuyến tập trung dữ liệu để thu thập và phân phối thông tin trong WSN. Chức năng chính của giao thức là tiết kiệm năng lƣợng cho mạng để kéo dài thời gian sống của mạng. Để đạt đƣợc mục tiêu này, truyền tin trực tiếp duy trì sự tƣơng tác (về mặt trao đổi thông điệp) giữa các nút đƣợc khoanh vùng trong một vùng giới hạn của mạng. Sử dụng các tƣơng tác khoanh vùng nhƣng truyền tin trực tiếp vẫn có thể thực hiện đƣợc việc phân phối đa đƣờng và thích ứng với một tập con các đƣờng truyền trong mạng. Đặc tính này cùng với khả năng các nút thu thập đáp ứng cho các yêu cầu sẽ giúp tiết kiệm đáng kể năng lƣợng.
Thành phần chính của giao thức này gồm các thông điệp interest (thông điệp yêu cầu), data message (bản tin dữ liệu), gradient (tốc độ và hƣớng) và reinforcement (sự nâng cao). Truyền tin trực tiếp sử dụng mô hình công bố/đăng ký, trong đó bộ thu sẽ miêu tả mối quan tâm bằng cách gửi thông điệp interest chứa một cặp thuộc tính – giá trị. Thông điệp interest
đƣợc xem nhƣ lời hỏi hay lời yêu cầu mà nút cần dữ liệu gửi đến các nút khác. Nút nào có thể đáp ứng đƣợc yêu cầu đó sẽ trả lời bằng thông điệp dữ liệu tƣơng ứng.
Ví dụ 4.3: Yêu cầu dữ liệu gửi từ cảm biến nhiệt độ trong vòng 10s và trong một vùng diện
tích hình chữ nhật có thể đƣợc mô tả nhƣ sau:
Cặp thuộc tính – giá trị Mô tả
Type = temperature Kiểu dữ liệu (nhiệt độ)
Start = 01:00:00 Thời gian bắt đầu
Interval = 1s Báo cáo sự kiện với chu kỳ 1s
Duration = 10s Thời gian tồn tại của interest (10s) Location = [24,48,36,40] Vùng báo cáo
152
Cặp thuộc tính – giá trị Mô tả
Type = temperature Kiểu dữ liệu (nhiệt độ)
Value = 38.3 Giá trị nhiệt độ đọc đƣợc
Timestamp = 1:02:00 Nhãn thời gian (thời gian tại thời điểm đọc) Location = [30,38] Báo cáo từ cảm biến trong vùng này
Cơ chế hoạt động của giao thức truyền tin trực tiếp đƣợc minh họa trong Hình 4.12.
Hình 4.12.Hoạt động cơ bản của giao thức truyền tin trực tiếp
Bước 1: Truyền interest:
- Bộ thu phát quảng bá bản tin interest theo chu kỳ đến các nút mạng xunh quanh nó để thể hiện sự quan tâm đến một dữ liệu nào đó. Mục đích của việc thăm dò này là để xác định xem có nút nào có thể tìm kiếm dữ liệu mà nó đang cần hay không.
- Mỗi nút cảm biến có một bộ nhớ đệm (interest cache) để lƣu trữ các đầu vào interest
(interest entry) khác nhau, mỗi mục (entry) bao gồm trƣờng nhãn thời gian (timestamp), trƣờng này chứa thông tin thời gian của bản tin interest nhận đƣợc sau cùng, trƣờng multiple gradient chứa tốc độ và hƣớng dữ liệu gửi đi, trƣờng duration
chứa thông tin thời gian tồn tại của thông điệp interest. Hình 4.13 minh họa quá trình truyền interest.
153
Hình 4.13.Truyền thông điệp interest
Bước 2: Thiết lập gradient:
Một gradient có thể coi là một liên kết phản hồi của nút lân cận khi nhận đƣợc bản tin
interest.Việc truyền thông điệp interest qua mạng, kết hợp với việc thiết lập các gradient tại các nút mạng, hình thành các liên kết giữa các bộ thu (nút đƣa ra yêu cầu về dữ liệu quan tâm) với nút nguồn (nút đáp ứng đƣợc mối quan tâm đó).
- Khi một nút khi phát hiện một sự kiện, nó sẽ kiểm tra cache xem có interest nào phù hợp không. Nếu có, đầu tiên nút sẽ tính tốc độ sự kiện cao nhất cho tất cả các gradient
đi ra từ nó. Sau đó nó thiết lập hệ thống cảm nhận con để lấy mẫu các sự kiện tại tốc độ cao nhất này. Kế tiếp, nó gửi mô tả sự kiện cho các nút lân cận mà nó có liên kết (có gradient).
- Một nút lân cận nhận đƣợc dữ liệu sẽ kiểm tra trong interest cache có entry nào phù hợp không. Nếu không, nút bỏ qua dữ liệu đó. Nếu có, và trong bộ nhớ dữ liệu của nó không có dữ liệu phù hợp, nó lƣu dữ liệu này vào bộ nhớ dữ liệu, đồng thời gửi dữ liệu này tới các nút lân cận.
- Khi nhận đƣợc interest, nút kiểm tra trong interest cache có entry nào phù hợp không. Nếu không, nút sẽ tạo một entry mới. Nút sử dụng thông tin chứa trong interest nhận đƣợc để khởi tạo các thông số trong các trƣờng của entry mới tạo. Đồng thời, entry
mới này cũng chứa một trƣờng gradient chứa tốc độ sự kiện và hƣớng truyền tới nút đã phát interest đến. Nếu interest nhận đƣợc phù hợp với entry trong cache, nút cập nhật các trƣờng timestamp và duration của entry này. Nếu trong entry này không chứa
gradient cho nút gửi interest, nút nhận sẽ lƣu giá trị nhận đƣợc trong thông điệp
interest vào trƣờng gradient. Gradient sẽ đƣợc xóa khỏi entry nếu quá hạn.
154
Hình 4.14.Thiết lập gradient
Bước 3: Truyền dữ liệu:
Trong pha thiết lập gradient, bộ thu tạo ra một tập hợp các tuyến truyền. Bộ thu có thể sử dụng các tuyến truyền này cho các sự kiện tốc độ cao bằng cách tăng tốc độ dữ liệu, gọi là quá trình nâng cao tuyến (reinforcement). Bộ thu có thể chọn để nâng cao một hoặc một số tuyến truyền với các nút lân cận. Để thực hiện nâng cao tuyến, bộ thu gửi lại thông điệp
interest ban đầu ở tốc độ dữ liệu cao hơn tới các tuyến đƣợc chọn. Điều này cho phép các nút nguồn trên các tuyến này gửi dữ liệu với tốc độ nhanh hơn. Tuyến có tốc độ cao nhất (hoạt động thƣờng xuyên nhất) sẽ đƣợc giữ lại và bỏ đi các tuyến còn lại. Việc loại bỏ các tuyến nâng cao đƣợc thực hiện bằng cách đặt tất cả các gradient tốc độ cao ở trạng thái quá hạn, ngoại trừ gradient cho tuyến đƣợc nâng cao hoàn hảo. Hình 4.15 minh họa quá trình truyền dữ liệu trên đƣờng truyền đƣợc nâng cao.
Sau khi xây dựng xong tuyến liên lạc từ trạm gốc đến nút có dữ liệu, quá trình truyền dữ liệu bắt đầu.
Các lỗi đƣờng truyền do tác động của môi trƣờng ảnh hƣởng đến kênh truyền hay do nút không đủ năng lƣợng để hoạt động có thể đƣợc khôi phục trong truyền tin trực tiếp. Các hƣ hỏng này thƣờng đƣợc phát hiện thông qua tốc độ bị giảm hoặc bị mất dữ liệu. Khi một tuyến truyền bị hỏng, một đƣờng thay thế có tốc độ dữ liệu thấp hơn sẽ đƣợc xác định và nâng cao để truyền dữ liệu. Các tuyến truyền có suy hao có thể đƣợc loại bỏ bằng cách gửi các thông điệp interest chứa tốc độ dữ liệu thăm dò hoặc đơn giản để cache của các nút lân cận quá thời gian.
155
Hình 4.15.Phân phối dữ liệu theo tuyến đƣờng đƣợc chọn nâng cao chất lƣợng
Giao thức truyền tin trực tiếp có thể tiết kiệm năng lƣợng đáng kể. Các tƣơng tác đƣợc khoanh vùng của nó cho phép đạt hiệu suất tƣơng đối cao trên các đƣờng truyền không tối ƣu. Đồng thời, cơ chế truyền tin này cũng ổn định với môi trƣờng mạng có đặc tính động. Do sử dụng phƣơng thức tập trung dữ liệu nên giao thức này không phải gán địa chỉ cho nút.
4.3.5 Định tuyến phân cấp
Định tuyến phân cấp (hay định tuyến theo cụm) ban đầu đƣợc sử dụng trong các mạng vô tuyến, và đƣợc biết đến là kỹ thuật với các ƣu điểm về khả năng mở rộng và truyền thông hiệu quả. Do đó, định tuyến phân cấp cũng đƣợc sử dụng để thực hiện định tuyến hiệu quả năng lƣợng trong WSN. Trong kiến trúc phân cấp, các nút có năng lƣợng cao hơn có thể đƣợc sử dụng để xử lý và gửi thông tin trong khi các nút có năng lƣợng thấp hơn có thể chỉ đƣợc sử dụng để thực hiện nhiệm vụ cảm nhận trong vùng lân cận của đối tƣợng. Nhƣ vậy việc tạo các cụm và gán các nhiệm vụ đặc biệt cho các nút chủ có thể đóng góp rất lớn vào việc mở rộng hệ thống, tăng thời gian sống của mạng và nâng cao hiệu suất năng lƣợng. Định tuyến phân cấp là một phƣơng pháp hữu hiệu để giảm nhỏ năng lƣợng tiêu thụ trong một cụm nhờ thực hiện thu thập và hợp nhất dữ liệu để giảm số thông điệm phát đi tới trạm trung tâm. Mục này sẽ giới thiệu một số giao thức định tuyến phân cấp thƣờng đƣợc sử dụng.