Mạng truyền thông với năng lượng cực tiểu loại nhỏ (SMECN: Small Minimum Energy Commumication Network): Giao thức MECN được phát triển
để tính toán một mạng con có hiệu suất năng lượng cao trong một mạng truyền thông nhất định. Một thuật toán mới được gọi là SMECN được đề xuất cũng nhằm
cung cấp một mạng con như vậy. Mạng con, tức là một lược đồ con, được cấu trúc bởi SMECN nhỏ hơn mạng con được cấu trúc bởi MECN nếu cùng phát quảng bá là hình tròn với công suất nhất định. Lược đồ con G của lược đồ G’, mô tả mạng cảm biến, tối thiểu năng lượng sử dụng với các điều kiện sau: số cạnh trong lược đồ con G nhỏ hơn trong lược đồ G’ gồm tất cả nút trong G’, nếu hai nút u và v được kết nối trong G’, chúng cũng được kết nối trong G, năng lượng cần thiết để truyền số liệu từ nút u tới tất cả các nút lân cận trong lược đồ con G nhỏ hơn năng lượng cần thiết để truyền số liệu tới tất cả các nút lân cận trong G’.
Giao thức tràn (Fooding): Thuật tràn là một kỹ thuật cũ có thể cũng được sử dụng để định tuyến trong mạng cảm biến. Trong thuật tràn, mỗi nút đang nhận gói số liệu hoặc một gói điều khiển lặp lại nó bằng cách phát quảng bá, trừ khi gói này đã đạt được số bước 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 đường phức tạp. Tuy nhiên nó có một vài hạn chế như sau:
Sự trùng lặp (Implosion): Trùng lặp là một trạng thái mà các bản sao của
gói tin được gửi tới cùng một nút. Ví dụ, nếu một nút cảm biến A có N nút cảm biến lân cận mà đó cũng là những nút lân cận của nút cảm biến B, nút cảm biến B nhận N bản sao của bản tin được gửi đi bởi nút cảm biến 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 được các bản tin sao lại.
Sự mù tài nguyên (Resource Blindness): Giao thức tràn không đưa vào báo
cáo các tài nguyên năng lượng hiện tại. Một giao thức nhận biết được tài nguyên năng lượng phải đưa vào báo cáo mức năng lượng của các nút tại mọi thời điểm.
Giao thức dây truyền (Gossiping):Với giao thức dây truyền, các nút không
phát quảng bá mà gửi đi những gói tới một nút lân cận được chọn ngẫu nhiên. Một nút cảm biến lựa chọn ngẫu nhiên một trong các nút lân cận để gửi số liệu. Khi nút
Mặc dù phương pháp này tránh được vấn đề trùng lặp (Implosion) do chỉ có một bản sao của bản tin tại một nút bất kỳ, nhưng nó phải mất một thời gian khá dài để truyền tin tới tất cả các nút cảm biến.
Các giao thức thông tin cảm biến thông qua thỏa thuận (Sensor Protocols for Information via Negotiation- SPIN):Một họ các giao thức có khả
năng thích ứng được gọi là SPIN được thiết kế để khắc phục nhược điểm của giao thức tràn(Flooding) cổ điển bằng thỏa thuận và khả năng thích ứng tài nguyên. Họ giao thức SPIN được thiết kế dựa trên hai ý tưởng cơ bản:
Các nút cảm biến hoạt động hiệu quả hơn và có thể bảo tồn năng lượng bằng cách chỉ gửi các số liệu mô tả về số liệu cảm biến thay vì gửi toàn bộ số liệu. Các nút cảm biến phải giám sát sự thay đổi trong tài nguyên năng lượng của
chúng.
SPIN có ba kiểu bản tin là ADV (quảng cáo), REQ (Yêu cầu) và DATA (Số liệu). Trước khi gửi bản tin DATA, cảm biến phát quảng bá một bản tin ADV gồm một bản mô tả (Meta-Data) của DATA chỉ ra trong bước 1 dưới hình 2.3. Nếu có một nút cảm biến lân cận quan tâm đến số liệu này, nó sẽ gửi một bản tin REQ về số liệu và bản tin DATA sẽ được gửi tới nút cảm biến này như các bước 2 và 3 trên hình 2.3. Nút cảm biến này lại lặp lại tiến trình trên như chỉ ra ở bước 4,5,6. Kết quả là tất cả các nút cảm biến trong toàn mạng cảm biến có nhu cầu về số liệu này sẽ nhận được bản sao của số liệu.
Hình 2.3: Giao thức SPIN.
Định tuyến chỉ định liên tục (Sequential Assignment Routin- SAR):Một
tập hợp các thuật toán thực hiện các hoạt động tổ chức, quản trị và quản lý di động trong mạng cảm biến được đề xuất, MAC tự tổ chức cho mạng cảm biến là một giao thức phân tán cho phép một nhóm các nút cảm biến có thể phát hiện 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) được 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 bước nhảy giữa nút lân cận và nút Sink. Mỗi nhánh cây phát triển ra phía ngoài nút Sink và tránh các nút có chất lượng dich vụ (QoS) quá thấp (tức là thông lượng thấp/ trễ cao) và dự trữ năng lượng quá ít. Kết thúc thủ tục này, phần lớn các nút thuộc về các nhánh cây này. Điều này cho phép nút cảm biến có thể lựa chọn một cây để chuyển thông tin của nó về Sink. Có hai tham số được gắn với mỗi đường dẫn (nhánh cây) trở về Sink:
Khả năng về năng lượng: khả năng năng lượng được đánh giá bằng số lượng gói mà nút cảm biến có thể gửi nếu nút cảm biến sử dụng duy nhất đường này.
Đo QoS bù: Việc đo được QoS bù càng cao có nghĩa là QoS thực tế càng thấp.
Thuật toán SAR lựa chọn đường dựa trên các khả năng về năng lượng và việc đo QoS cộng thêm của mỗi đường và mức ưu tiên của gói. Kết quả là một nút cảm biến sẽ lựa chọn được đường để nó định tuyến cho số liệu về Sink.
Phân cấp cụm thích ứng với năng lượng 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 lượng trong mạng cảm biến. Mục đích của LEACH là chọn ngẫu nhiên các nút cảm biến như các đầu cụm (Cluster - Head), vì thế sự suy hao năng lượng lớn trong truyền thông với các trạm gốc được trải ra tới tất cả các nút cảm biến trong mạng cảm biến. Hoạt động của LEACH được 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 với khoảng thời gian của giai đoạn thiết lập để giảm thiểu phụ tải (Overhead).
Trong giai đoạn thiết lập, một nút cảm biến chọn một số ngẫu nhiên giữa 0 và 1. Nếu số ngẫu nhiên này nhỏ hơn ngưỡng T n , nút cảm biến này là một đầu cụm. T n được tính như sau:
1 mod(1 / ) , 0 T n P if G P r P otherwise n
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 được chọn làm đầu cụm trong 1/P chu kỳ cuối. Sau khi đầu cụm được lựa chọn, các đầu cụm sẽ thông báo tới tất cả các nút cảm biến trong mạng rằng chúng là các đầu cụm mới. Khi các nút cảm biến nhận được thông báo này, chúng xác định cụm mà chúng muốn gia nhập trên độ mạnh tín hiệu của thông báo từ các đầu cụm tới các nút cảm biến. Các nút cảm biến 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 cảm biến có thể gửi số liệu dựa trên phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA).
Trong giai đoạn ổn định, các nút cảm biến sẽ cảm biến và truyền số liệu tới đầu cụm, đầu cụm cũng tập hợp số liệu từ các nút trong cụm của chúng trước 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.
Phương thức truyền tin có hướng (Directed Diffusion):Trong mô hình
phổ biến số liệu được truyền theo định hướng, nút Sink gửi yêu cầu mô tả về nhiệm vụ (Task Description) tới tất cả các nút cảm biến như chỉ ra trong hình 2.13(a). Các mô tả nhiệm vụ được đặt tên bằng việc gán các cặp giá trị thuộc tính mô tả nhiệm vụ. Mỗi nút cảm biến sau đó lưu trữ mục yêu cầu (Interest Entry) trong cạc (Cache) nhớ của nó. Mục đích yêu cầu bao gồm một trường nhãn thời gian và các trường chỉ hướng (Gradient) từ nguồn trở về nút nhận được thiết lập như trong hình 2.13(b). Khi nguồn có số liệu theo truyền phát , tập hợp số liệu và yêu cầu xác định một cách cục bộ. Ngoài ra, bộ nhận phải làm mới lại và tăng cường các yêu cầu khi nó bắt đầu nhận số liệu từ nguồn.
Hình 2.4: Ví dụ về truyền tin định hướng:(a) Phát yêu cầu, (b) Thiết lập định hướng, (c) Gửi số liệu.
Chú ý: phương thức truyền tin có định hướng dựa trên định tuyến số liệu tập trung trong đó, bộ phận quảng bá yêu cầu.