Mạng cảm biến không dây có nhiều điểm chung với mạng hữu tuyến và mạng ad hoc. Tuy nhiên, mạng cảm biến có một số đặc điểm riêng, do đó đòi hỏi phải có thiết kế giao thức định tuyến riêng cho mạng.
143
a. Kích thước mạng và đặc tính thay đổi theo thời gian
Nút cảm biến hoạt động với khả năng tính toán, lƣu trữ và thông tin hạn chế do giới hạn
nguồn năng lƣợng cung cấp. Mật độ cảm biến có thể rất ít, cũng có thể rất dày đặc. Trong
mạng cảm biến, nút ở trạng thái động và khả năng thích ứng cao do yêu cầu tự phân bố và tiết
kiệm năng lƣợng. Các nút phải điều chỉnh hoạt động để đáp ứng với sự thất thƣờng và không
thể đoán trƣớc của kết nối không dây gây ra bởi mức nhiễu cao và can nhiễu tần số vô tuyến
làm giảm chất lƣợng ứng dụng.
b. Tài nguyên hạn chế
Các nút cảm biến đƣợc thiết kế với độ phức tạp ít nhất và giá thành thấp để đáp ứng cho các mạng cỡ lớn. Năng lƣợng là vấn đề quan tâm nhiều nhất trong mạng cảm biến, phải tạo ra hoạt động lâu dài trong điều kiện nguồn pin hạn chế. Truyền đa đƣờng qua mạng không dây chính là nguồn gây tiêu tốn công suất nhiều nhất. Vấn đề quản lý nguồn năng lƣợng trở thành một thách thức với mạng cảm biến không dây trong nhiều ứng dụng quan trọng.
Các kiểu dữ liệu trao đổi giữa các nút phụ thuộc vào đặc điểm riêng của từng ứng dụng
cụ thể. Có những ứng dụng yêu cầu thu thập dữ liệu theo chu kỳ hay khi có sự xuất hiện của
một sự kiện nào đó. Trƣờng hợp khác dữ liệu lại đƣợc tập hợp, lƣu trữ, xử lý bởi một nút sau
đó đƣợc chuyển tiếp cho các nút khác. Đối với mạng quy mô lớn, số lƣợng lớn nút cảm biến
phân bố trên khu vực rộng, các kiểu dữ liệu phức tạp cần có các giao thức định tuyến tối ƣu để đảm bảo chất lƣợng thông tin và thời gian sử dụng của mạng. Do đó thiết kế giải thuật định
tuyến hiệu quả là yêu cầu quan trọng, đảm bảokhả năng mở rộng quy mô và tính ổn định của
mạng cảm biến không dây, cũng nhƣ sự phát triển mạnh mẽ các ứng dụng trong tƣơng lai.
c. Mô hình dữ liệu
Mô hình dữ liệu miêu tả dòng di chuyển thông tin giữa các nút cảm biến và bộ thu dữ liệu. Các mô hình này thƣờng phụ thuộc vào bản chất của ứng dụng về khía cạnh cách thức yêu cầu và sử dụng dữ liệu. Các mô hình dữ liệu sử dụng cho các ứng dụng cảm biến phải đáp ứng nhu cầu thu thập dữ liệu và yêu cầu tƣơng tác. Một số các ứng dụng cảm biến yêu cầu các mô hình thu thập dữ liệu dựa trên quá trình lấy mẫu định kỳ hoặc đƣợc điều khiển bởi sự xuất
hiện của các sự kiện nào đó. Trong một số ứng dụng khác, dữ liệu có thểđƣợc thu thập và lƣu
lại, sau đó có thể đƣợc xử lý và tập hợp lại bởi một nút cảm biến trƣớc khi đƣợc chuyển tiếp tới bộ thu. Cũng có những ứng dụng yêu cầu các mô hình dữ liệu hai chiều, nghĩa là phải đảm bảo tƣơng tác hai chiều giữa các cảm biến và bộ thu dữ liệu.
Yêu cầu phải hỗ trợ nhiều dạng mô hình dữ liệu làm tăng độ phức tạp trong việc thiết kế các giao thức định tuyến. Tối ƣu hóa giao thức định tuyến cho các yêu cầu dữ liệu nào đó của một ứng dụng trong khi phải cung cấp đa dạng các mô hình dữ liệu và đảm bảo hiệu suất cao nhất (về khả năng mở rộng, độ tin cậy, khả năng đáp ứng và hiệu quả năng lƣợng) trở thành một thách thức lớn trong kỹ thuật định tuyến.
4.3.3 Các chiến lượcđịnh tuyến trong WSN
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây gặp khó khăn lớn là tạo sự cân bằng giữa độ nhạy và tính hiệu quả. Sự cân bằng giữa đặc tính giới hạn khả năng xử lý và thông tin của các nút cảm biến với phần chi phí cần thiết. Trong mạng cảm biến không dây, chi phí cho quản lý (overhead) đƣợc tính dựa trên băng thông sử dụng, công suất tiêu thụ và yêu cầu xử lý
144
nút di động. Vì nếu chi phí quản lý quá lớn gây lãng phí năng lƣợng, băng thông, thời gian xử
lý, tăng độ trễ gói tại nút nhƣng chất lƣợng dữ liệu tốt hơn. Ngƣợc lại, chi phí quản lý nhỏ thì
thời gian xử lý, băng thông, độ trễ thấp, tuy nhiên chất lƣợng có thể giảm. Thách thức của giao thức định tuyến chính là tìm ra giải thuật để cân bằng những yêu cầu này.
Nhìn chung, nếu dựa trên cấu trúc mạng, định tuyến trong WSN có thể đƣợc chia thành các dạng:
Định tuyến ngang hàng (flat-based routing): Trong định tuyến ngang hàng, tất cả các
nút thƣờng có vai trò hoặc chức năng nhƣ nhau. Dạng này dành cho kiến trúc mạng phẳng, trong đó tất cả các nút xem nhƣ cùng cấp. Kiến trúc phẳng có nhiều lợi ích nhƣ tối thiểu chi phí để xây dựng hạ tầng mạng và có khả năng tìm ra nhiều đƣờng liên lạc giữa các nút với sai số cho phép.
Địnhtuyến phân cấp (hierarchical-based routing): Trong định tuyến phân cấp, các nút sẽ có các vai trò khác nhau trong mạng. Dạng thứ hai này dùng trong mạng có cấu trúc tiết kiệm năng lƣợng, ổn định và khả năng mở rộng. Các nút mạng đƣợc sắp xếp vào các cụm, trong đó một nút có năng lƣợng lớn nhất đóng vai trò cụm chủ (cluster head). Cụm chủ có trách nhiệm phối hợp các hoạt động giữa các nút trong cụm và chuyển thông tin giữa các cụm. Việc phân cụm giảm năng lƣợng tiêu thụ và kéo dài thời gian sống của mạng.
Định tuyến theo vị trí (location-based routing): Trong định tuyến theo vị trí, vị trí của các nút cảm biến sẽ đƣợc khai thác để thiết kế tuyến truyền dữ liệu trong mạng. Định tuyến theo vị trí rất hữu ích cho các ứng dụng mà vị trí của nút trong một vùng địa lý của mạng liên quan đến yêu cầu của nút nguồn. Yêu cầu có thể là xác định vùng diện tích cụ thể nơi có thể xảy ra một hiện tƣợng mà nút nguồn quan tâm hoặc xác định vùng lân cận của một điểm cụ thể trong môi trƣờng mạng.
Nếu dựa trên hoạt động giao thức, định tuyến trong WSN có thể đƣợc phân thành các dạng:
Định tuyến đa đƣờng (multipath-based): sử dụng đồng thời nhiều tuyến để truyền dữ liệu.
Định tuyến theo yêu cầu (query-based): nút có nhu cầu nhận dữ liệu sẽ gửi yêu cầu, khởi xƣớng quá trình truyền tin.
Định tuyến theo thỏa thuận (negotiation-based): các nút sẽ truyền dữ liệu thỏa thuận trƣớc khi thiết lập tuyến.
Định tuyến theo chất lƣợng dịch vụ (QoS-based): giao thức định tuyến phải đáp ứng các yêu cầu nhất định về chất lƣợng dịch vụ.
Định tuyến nhất quán (coherent-based): chỉ thực hiện tối thiểu các hoạt động xử lý trong mạng.
Tùy thuộc vào cách thức nút nguồn tìm đƣợc tuyến đƣờng truyền tới nút đích, các giải thuật định tuyến cũng có thể đƣợc chia thành ba dạng: proactive, reactive và hybrid.
Proactive(khởi tạo trƣớc): còn gọi là table driven, dựa trên sự phân phát theo chu kỳ thông tin định tuyến để đạt đƣợc các bảng định tuyến nhất quán và chính xác đến tất
145
cả các nút của mạng. Cấu trúc mạng có thể là phẳng hay phân cấp. Dùng phƣơng pháp
này cho cấu trúc phẳng có khả năng tìm ra đƣợc đƣờng đi tối ƣu.
Reactive (phản ứng): xây dựng tuyến đến một đích đến nào đó theo nhu cầu. Giải thuật
này thƣờng không xây dựng thông tin chung đi qua tất cả các nút của mạng. Do đó
chúng dựa trên định tuyến động để tìm ra đƣờng đi từ nguồn đến đích. Giải thuật định tuyến reactive thay đổi theo cách mà chúng điều khiển quá trình flooding để giảm thông tin chi phí quản lý và cách các tuyến đƣợc tính toán và xây dựng lại khi liên kết không thực hiện đƣợc.
Hybrid (hỗn hợp): dựa trên cấu trúc mạng để tạo tính ổn định và khả năng mở rộng
cho mạng có kích thƣớc lớn. Trong những giải thuật dạng này, mạngđƣợc phân chia
thành các cụm (cluster). Do số lƣợng lớn và tính di động, mạng có đặc tính động khi các nút vào hay tách ra khỏi các cụm. Giải thuật định tuyến hybrid có thể đƣợc dùng
theo mô hình định tuyến proactive đƣợc dùng cho bên trong các cụm và định tuyến
reactive dùng liên kết giữa các cụm.
Sơ đồ phân loại các kỹ thuật định tuyến đƣợc minh họa trong hình 4.5.
Hình 4.5. Phân loại các kỹ thuật định tuyến
Chi phí quản lý giao thức định tuyến thƣờng tăng nhanh khi tăng kích thƣớc và đặc tính động của mạng. Chi phí lớn có thể chiếm một phần lớn tài nguyên mạng. Hơn nữa, các giao thức định tuyến truyền thống trong những mạng lớn yêu cầu sự liên kết thực giữa các nút. Việc dùng những kỹ thuật này làm tăng chi phí cho định tuyến và thời gian hội tụ. Thực tế
mặc dùcác kỹ thuật định tuyến truyền thống thích hợp hoạt động trong môi trƣờng mạng mà
khả năng tính toán và thông tin của các nút mạng khá tốt, nhƣng hiệu quả của các kỹ thuật này bị hạn chế với mạng cảm biến không dây. Do đó, các kỹ thuật định tuyến mới cho mạng cảm biến phải có đƣợc sự cân bằng giữa tính tối ƣu và hiệu quả hoạt động.
Thiết kế các giao thức định tuyến của mạng cảm biến không dây phải xem xét đến công
suất và tài nguyên hạn chế của các nút mạng, đặc tính thay đổi theo thời gian của kênh truyền
vô tuyến và khả năng trễ hay mất gói.
Một giao thức định tuyến đƣợc coi là có tính thích nghi nếu các thông số hệ thống nhất định có thể đƣợc điều khiển để thích ứng với các điều kiện mạng hiện thời và các mức năng lƣợng hiện có.
146
Phần tiếp theo sẽ giới thiệu một số các giao thức định tuyến tiêu biểu.
4.3.4 Định tuyến ngang hànga. Giao thức Flooding a. Giao thức Flooding
Flooding là một kỹ thuật chung, thƣờng dùng trong phát tán thông tin và tìm đƣờng trong mạng có dây và không dây ad hoc. Chiến thuật định tuyến đơn giản và không đòi hỏi
cấu hình mạng tốn kém và thuật toán tìm đƣờng phức tạp. Flooding dùng phƣơng pháp phản
ứng lại. Khi mỗi nút nhận đƣợc một gói điều khiển hay dữ liệu, nó sẽ gửi đến tất cả các nút
xung quanh nó. Sau khi truyền, một gói đi theo tất cả các đƣờng có thể đƣợc. Nếu không bị mất kết nối, gói tin sẽ đến đích. Hơn nữa, khi cấu hình mạng thay đổi, việc truyền gói sẽ theo
những tuyến mới. Hình 4.6 minh họa quy ƣớc flooding trong mạng. Flooding dạng đơn giản
nhất có thể làm các gói bị sao chép lại một cách không giới hạn khi đi qua các nút mạng.
Hình 4.6. Flooding gói dữ liệu trong mạng thông tin
Để ngăn chặn một gói tin đi lòng vòng không xác định trong mạng, một trƣờng gọi là
hop count(số bƣớc nhảycực đại) đƣợc thêm vào gói. Đầu tiên, hop countđƣợc đặt giá trị xấp xỉ đƣờng kính mạng. Khi gói đi qua mạng, giá trị này giảm đi 1 sau mỗi bƣớc nhảy (một bƣớc
nhảy đƣợc tính là một lần truyền từ nút này sang nút khác). Khi giá trị này về 0, gói tin sẽ bị
hủy. Một cách tƣơng tự đƣợc dùng là thêm vào trƣờng time-to-live(thời gian sống). Trƣờng
này ghi lại thời gian mà gói tin đƣợc phép tồn tại trong mạng. Khi hết thời gian này, gói không đƣợc truyền đi nữa. Flooding có thể đƣợc cải tiến bằng cách xác nhận gói dữ liệu duy
nhất, mỗi nút mạng sẽ bỏ đi các gói đã nhận rồi.
Mặc dù kỹ thuật định tuyến Flooding có quy luật hoạt động đơn giản, phù hợp với cấu hình mạng có chi phí thấp, nhƣng kỹ thuật này gặp nhiều bất lợi khi áp dụng cho mạng cảm biến không dây. Nhƣợc điểm đầu tiên của flooding là gặp phải vấn đề bùng nổ lƣu lƣợng tại một nút (traffic implosion). Nhƣ mình họa trên hình 4.7, hiện tƣợng không mong muốn gây ra
147
Hình 4.7. Hiện tƣợng bùng nổ lƣu lƣợng do Flooding
Nhƣợc điểm thứ hai là vấn đề chồng lấn (overlap). Hình 4.8 minh họa hiện tƣợng chồng
lấn xảy ra khi hai nút cùng gửi gói tin đến cùng một nút.
Hình 4.8. Hiện tƣợng chồng lấn do Flooding
Nhƣợc điểm thứ ba và cũng là nhƣợc điểm nguy hiểm nhất của flooding là sự mù tài nguyên (resource blindness). Quy luật đơn giản của flooding không xem xét đến hạn chế về
nguồn năng lƣợng của các nút. Năng lƣợng của nút có thể suy giảm nhanh chóng, làm giảm
đáng kể thời gian sống của mạng.
Để giải quyết các nhƣợc điểm nêu trên, giao thức flooding đƣợc cải tiến thành một giao thức mới, gọi là gossiping. Tƣơng tự flooding, gossiping dùng quy luật đơn giản và không đòi hỏi cấu hình mạng đắt tiền hay thuật toán định tuyến phức tạp. Trong flooding, gói
dữ liệu đƣợc phát quảng bá đến tất cả các nút. Khác với flooding, gossiping chỉ yêu cầu mỗi
nút gửi gói dữ liệu vừa nhận đƣợc đến một nút lân cận đƣợc lựa chọn ngẫu nhiên. Khi nhận
đƣợc gói, nút lân cận lại chuyển tiếp gói đó đến một nút đƣợc lựa chọn ngẫu nhiên khác. Quá
trình cứ tiếp tục cho đến khi gói tin đƣợc chuyển tới đích hoặc khi hop count hay time-to-live
về 0. Gossiping tránh đƣợc vấn đề bùng nổ lƣu lƣợng mạng, bằng cách giới hạn số gói mà
mỗi nút gửi đến các nút lân cận nó. Tuy nhiên, độ trễ gói tại đích đến có thể rất lớn, đặc biệt
với mạng có kích thƣớc lớn, do bản chất của gossiping là chỉ có một liên kết đƣợc tạo thành tại một thời điểm.
148
b. Giao thức định tuyến thông tin qua thỏa thuận SPIN
Trong các mạng cấu trúc phẳng, mỗi nút thƣờng có vai trò nhƣ nhau và các nút cảm biến hợp tác với nhau để hoàn thành một nhiệm vụ. Do số lƣợng các nút trong mạng thƣờng lớn, ấn định nhân dạng cho mỗi nút là không khả thi. Định tuyến tập trung dữ liệu có thể giải quyết vấn đề này: trạm trung tâm gửi các yêu cầu tới các vùng nhất định trong mạng và chờ dữ liệu gửi về từ các cảm biến trong các vùng đó. Vì cái đƣợc yêu cầu ở đây là dữ liệu nên cần sử dụng biện pháp đặt tên theo thuộc tính để xác định các thuộc tính của dữ liệu. Hai giao
thức định tuyến tập trung dữ liệu thƣờng đƣợc sử dụng trong mạng cảm biến là SPIN (Sensor
Protocols for Information via Negotiation) và truyền tin trực tiếp (Direct Diffusion). Hai giao thức này cho phép tiết kiệm năng lƣợng nhờ thỏa thuận dữ liệu và hạn chế dữ liệu dƣ thừa.
Giao thức định tuyến thông tin qua thỏa thuận giữa các nút SPIN là họ các giao thứcdựa
trên sự thỏa thuận để phát thông tin trong mạng WSN. Đối tƣợng chính của các giao thức này
là tính hiệu quả của việc phát thông tin từ một nút nào đó đến tất cả các nút khác trong mạng.
Đối tƣợng chính của nhóm giao thức SPIN là giải quyết hạn chế của các giao thức
truyền thốngnhƣ flooding và gossiping. Nguyên lý cơ bản của họ giao thức này là thỏa thuận
dữ liệu và sự thích ứngtài nguyên mạng. Thỏa thuận dữ liệu (data negotiation) yêu cầu các
nút phải “học” nội dung của dữ liệu trƣớc khi phát dữ liệu giữa các nút mạng. SPIN khai thác
việc đặt tên dữ liệu, ở đó các nút kết hợp gói mô tả (metadata) vào dữ liệu và sử dụng dữ liệu
mô tả này để thực hiện thỏa thuận trƣớckhi phát gói dữ liệu thực. Các nút thu khi nhận đƣợc
gói mô tả, nếu muốn nhận gói dữ liệu thực phải gửi một gói yêu cầu cho nút nguồn. Thỏa
thuận này đảm bảo gói dữ liệu thực chỉ đƣợc gửi cho các gói quan tâm, do đó hạn chế khả
năng bị bùng nổlƣu lƣợngnhƣ trong flooding, giảm đáng kể lƣu lƣợng dƣ thừa trong mạng.
Ngoài ra, sử dụng gói mô tả dữ liệu (meta data descriptors) cho phép loại trừ khả năng chồng lấn, vì các nút có thể hạn chế các yêu cầu bằng cách chỉ gửi yêu cầu đối với dữ liệu mà chúng