Trong các thiết kế xuyên tầng do nhóm tác giả Ramachandran và Shanmugavel [8] đề xuất, cƣờng độ tín hiệu nhận đƣợc đo tại tầng Vật lý và đƣợc truy cập bởi các tầng phía trên nhƣ đƣợc minh họa trong Hình 2.1.
Hình 2.1: Chia sẻ thông tin trong thiết kế xuyên tầng.
Khi việc triển khai và duy trì cơ sở dữ liệu dùng chung xuyên qua các tầng là tƣơng đối phức tạp thì trong đề xuất triển khai thiết kế xuyên tầng đƣợc đƣa ra ở đây, các thủ tục ở tầng Vật lý đã đƣợc thay đổi để truyền giá trị cƣờng độ tín hiệu nhận đo đƣợc tới tầng MAC theo tín hiệu. Giá trị này đƣợc tầng MAC sử dụng để thực hiện các tính toán cần thiết hoặc truyền tới tầng định tuyến theo các gói tin điều khiển định tuyến. Nút nhận đƣợc thông tin sẽ lƣu thông tin này vào bảng định tuyến hoặc bảng láng giềng và sử dụng trong những tiến trình ra quyết định. Vì vậy, cƣờng độ tín hiệu nhận ở tầng Vật lý đƣợc truyền lên các tầng phía trên nhƣ là tham số tƣơng tác liên tầng và đƣợc sử dụng để cải thiện hiệu năng của mạng ad hoc di động bằng cách hiệu chỉnh việc truy cập môi trƣờng truyền và các giao thức định tuyến theo yêu cầu của thiết kế xuyên tầng.
Trong phƣơng pháp này, có 3 đề xuất thiết kế theo cách tiếp cận xuyên tầng đƣợc đƣa ra bao gồm: (1) Cơ chế hội thoại năng lƣợng; (2) Loại bỏ các liên kết một chiều và (3) Tiến trình khám phá đƣờng tin cậy.
Thông tin về Cường độ tín hiệu nhận được Tầng Mạng Tầng MAC Tầng Vật lý
2.2.1. Cơ chế hội thoại năng lượng
IEEE 802.11 là một giao thức tin cậy ở tầng MAC nhƣng giao thức này hoạt động với một giả định là năng lƣợng truyền sử dụng ở mức tối đa và cố định vì gói RTS phải tìm đến đƣợc mọi nút rõ và gói CTS phải tìm đến đƣợc mọi nút ẩn để tránh việc xảy ra xung đột. Vì các nút không thực hiện điều khiển năng lƣợng trong khi truyền thông với các nút lân cận, năng lƣợng sẽ bị lãng phí một cách vô ích. Vì vậy, trong thiết kế xuyên tầng hội thoại năng lƣợng, đề xuất điều khiển năng lƣợng truyền cho gói tin dữ liệu đƣợc đƣa ra để tiết kiệm năng lƣợng nguồn pin cho các nút mạng.
Khi một nút gửi quảng bá gói RTS, nó sẽ gửi kèm thông tin năng lƣợng truyền của nó ( ). Cƣờng độ tín hiệu nhận đƣợc nút nhận gói RTS đo bằng mối quan hệ dành cho mô hình truyền trong không gian đƣợc biểu diễn bởi công thức (1) nhƣ sau:
(1)
trong đó λ là bƣớc sóng của kênh truyền, d là khoảng cách giữa nút gửi và nút nhận, và tƣơng ứng là hệ số khuyếch đại của anten truyền và nhận vô hƣớng. Ở đậy, tác động của nhiễu và suy giảm cƣờng độ không đƣợc xét đến. Vì vậy, nút nhận tính toán độ mất đƣờng (path_loss) theo công thức (2):
(2)
Sau đó nút nhận sẽ tính toán năng lƣợng truyền tối thiểu ( theo công thức (3):
Trong đó là là giá trị năng lƣợng nhỏ nhất để phát hiện đúng tín hiệu đƣợc gọi là ngƣỡng nhận. Hệ số nhân k là giá trị biên đảm bảo cho năng lƣợng truyền tối thiểu đủ mạnh để chống lại nhiễu trong quá trình nhận gói tin. Giá trị
này sau đó đƣợc nút nhận đƣa vào gói tin CTS rồi truyền ngƣợc lại cho nút gửi. Sau khi nhận đƣợc gói CTS, nút gửi sẽ điều chỉnh năng lƣợng truyền của mình theo giá trị để tiết kiệm năng lƣợng. Mặc dù phƣơng pháp này đã tạo ra cơ chế hội thoại năng lƣợng nhƣng việc tái sử dụng không gian vẫn chƣa đạt đƣợc do các gói RTS/CTS vẫn đƣợc truyền ở mức năng lƣợng tối đa và do đó diện tích sàn thu nhận bởi các nút vẫn không đƣợc giảm xuống.
Các tác giả V. Kawadia và P.R. Kumar [9] đã phân tích ảnh hƣởng của điều khiển năng lƣợng trong các mạng không dây và đề xuất một tập các giao thức trên cơ sở cách tiếp cận năng lƣợng chung (COMPOW). Phƣơng pháp này khá phức tạp và ngƣời ta cũng đã chứng minh rằng cách tiếp cận theo năng lƣợng truyền trong phạm vi sẵn sàng là tốt hơn so với cách tiếp cận theo năng lƣợng chung. Để tối thiểu hóa diện tích sàn thu nhận bởi các nút, kỹ thuật điều khiển năng lƣợng truyền theo RTS/CTS cũng đƣợc đƣa vào đề xuất này trên cơ sở cƣờng độ tín hiệu nhận cùa các gói RREP của giao thức định tuyến. Khi nút nguồn muốn truyền dữ liệu, giao thức định tuyến AODV sẽ khởi tạo tiến trình quảng bá gói RREQ và nhận gói RREP theo con đƣờng ngắn nhất quay ngƣợc lại từ nút đích. Khi nhận và chuyển tiếp gói RREP, các nút trung gian trên con đƣờng ngắn nhất tạo ra một entry về chặng kế tiếp trong bảng định tuyến của mình.
Trong thiết kế xuyên tầng cải tiến hội thoại năng lƣợng đƣợc đề xuất ở đây, gói RREP đƣợc định danh tại tầng MAC bằng số hiệu kiểu và thông tin cƣờng
độ tín hiệu nhận gói này từ tầng Vật lý đƣợc truyền tới tầng định tuyến. Các nút nhận gói RREP tính giá trị path_loss và năng lƣợng truyền tối thiểu bằng cách sử dụng công thức (2) và (3). Giá trị này đƣợc bổ sung vào entry tƣơng ứng với một đƣờng tới nút đích khi lƣu vào bảng định tuyến. Trong thiết kế này, nút truyền gói RTS sẽ tham chiếu bảng định tuyến để lấy giá trị năng lƣợng truyền cần thiết tối thiểu. Sau đó nó sẽ thiết lập năng lƣợng truyền bằng giá trị lấy đƣợc và đƣa giá trị này vào một trƣờng bổ sung trong gói RTS. Nút nhận gói RTS sau đó sử dụng giá trị này để thiết lập năng lƣợng truyền gói CTS. Các gói dữ liệu và ACK từ nút gửi và nhận sau đó sẽ đƣợc truyền với năng lƣợng tối thiểu đã thiết lập. Mô hình này phản ánh một cách rõ ràng tƣơng tác giữa các tầng Vật lý – MAC – Định tuyến. Các gói RREQ và RREP của giao thức định tuyến AODV đƣợc truyền với năng lƣợng tối đa (cố định) để giữ cho kết nối, số chặng và tính chất hai chiều của các liên kết không bị thay đổi. Trong khi đó, mọi gói truyền tại tầng MAC, tiến trình truyền các gói RTS-CTS-DATA-ACK đều sử dụng mức năng lƣợng truyền tối thiểu. Khi một nút nhận đƣợc gói ACK, nó sẽ tính độ suy hao năng lƣợng trong quá trình truyền gói này bằng cách sử dụng năng lƣợng truyền tối thiểu hiện tại đang đƣợc sử dụng để cập nhật giá trị năng lƣợng truyền cần thiết trong bảng định tuyến của mình để thích nghi với sự di chuyển của nút mạng. Cơ chế cập nhật lại giá trị năng lƣợng truyền này giúp làm giảm thiểu số lần báo lỗi liên kết và lỗi đƣờng vì việc điều khiển năng lƣợng truyền đƣợc thay đổi phù hợp với sự di chuyển của nút trên cơ sở sự cập nhật theo từng gói tin.
2.2.2. Loại bỏ các liên kết một chiều
Tính hỗn độn về năng lƣợng truyền của mạng ad hoc đƣợc đặc tính hóa bằng các liên kết bất đồng bộ. Các nút có năng lƣợng truyền thấp có khả năng nhận tín
hiệu từ các nút có năng lƣợng truyền cao nhƣng điều này chƣa chắc đã đƣợc thực hiện ở chiều ngƣợc lại. Điều này là một thử thách đối với tiến trình khám phá đƣờng trong các giao thức định tuyến. Giao thức AODV đã đƣợc thiết kế dành cho mạng ad hoc với yêu cầu các liên kết phải hoạt động song phƣơng. Cơ chế DCF của IEEE 802.11 chỉ kiểm tra tính song phƣơng của liên kết bằng cách thực hiện tiến trình bắt tay RTS-CTS. Khi các gói RREQ của AODV đƣợc truyền kiểu quảng bá, sự xuất hiện của các liên kết một chiều (bất đồng bộ) sẽ không đƣợc phát hiện và quá trình truyền gói RREP dọc theo đƣờng nghịch có các liên kết một chiều sẽ thất bại. Hình 2 minh họa vấn đề này.
Tiến trình khám phá đƣờng từ nút A tới nút B sẽ bị thất bại khi gói RREP từ đích B không tới đƣợc nút A. Vì trong giao thức AODV, nút nhận chỉ xử gói RREQ đầu tiên mà nó nhận đƣợc từ một nút nguồn nên nút B sẽ không đáp ứng lại khi mà nó nhận đƣợc gói RREQ đƣợc chuyển tiếp qua nút C. Nếu có nhiều hơn 2 nút có năng lƣợng truyền thấp dọc theo con đƣờng ngắn nhất từ nút đích tới nút nguồn, tiến trình tìm đƣờng của AODV sẽ thất bại bởi vì giao thức AODV chỉ cho phép thử truyền lại 2 lần gói RREQ.
Hình 2.2. Tiến trình truyền RREP thất bại
Hai kỹ thuật có tên là Blacklisting và Hello đƣợc sử dụng để loại bỏ các liên kết một chiều trong các phiên bản của giao thức AODV. Kỹ thuật Hello tự động
RREQ
RREP A B
việc trao đổi các gói tin Hello có kích thƣớc lớn theo chu kỳ gây ra sự lãng phí về băng thông. Trong kỹ thuật Blacklist, khi một nút phát hiện việc truyền gói RREP bị lỗi, nó chèn thông tin chặng kế tiếp mà nó không gửi đƣợc gói RREP đến vào một tập hợp gọi là “Blacklist” để đánh dấu liên kết này là liên kết một chiều. Kỹ thuật này trở nên thiếu hiệu quả khi có nhiều liên kết một chiều vì các liên kết này đƣợc lặp đi lặp lại đƣa vào danh sách “Blacklist”. Kỹ thuật này yêu cầu nhiều thời gian khám phá đƣờng hơn nếu có nhiều liên kết một chiều trên đƣờng ngắn nhất.
Cách tiếp cận theo thiết kế xuyên tầng đƣợc đề xuất ở đây phát hiện và loại bỏ các liên kết một chiều trong pha quảng bá gói RREQ. Nó sẽ tự tìm ra một đƣờng hai chiều trong lần quảng bá RREQ đầu tiên nếu đƣờng này tồn tại. Cách tiếp cận này dựa vào cơ sở tính toán độ chênh lệch năng lƣợng truyền và nhận tín hiệu gói RREQ và đánh giá năng lực của nút nhận trong quá trình chuyển tiếp gói RREP tới nút nhận của liên kết. Đây là sự tích hợp của việc ra quyết định chọn đƣờng tại tầng mạng với thông tin cƣờng độ tín hiệu tại tầng Vật lý. Với khả năng truy cập thông tin cƣờng độ tín hiệu nhận gói RREQ, tầng định tuyến hoàn toàn có thể nhận biết một liên kết là đồng bộ hay không để đảm bảo rằng gói RREP sẽ đƣợc truyền thành công. Nếu xuất hiện liên kết một chiều, tầng định tuyến sẽ đơn giản ra quyết định hủy gói RREQ. Điều này tạo ra cơ hội cho các gói RREQ khác đi qua các liên kết đồng bộ để hoàn thành tiến trình khám phá đƣờng.
Trong thiết kế này, khi một nút chuyển tiếp một gói RREQ, nó chèn năng lƣợng truyền (PT) của nó vào một trƣờng bổ sung trong gói RREQ. Nút nhận gói RREQ đo cƣờng độ tín hiệu nhận gói (PR) và truyền thông tin này tới tầng định tuyến. Độ chênh lệch cƣờng độ tín hiệu truyền và nhận gói RREQ đƣợc nút nhận
tính toán. Nút nhận sẽ so sánh giá trị ngƣỡng nhận của nút gửi (có thể đƣợc truyền kèm theo gói RREQ) để xác định liên kết hiện tại là một chiều hay hai chiều. Nếu cƣờng độ tín hiệu truyền lớn hơn tổng của độ chênh lệch cƣờng độ và ngƣỡng nhận của nút gửi thì nút nhận sẽ xác định đây là liên kết hai chiều và nút nhận có thể với tới nút gửi gói RREQ trong đƣờng nghịch để chuyển tiếp gói RREP. Tiếp theo, nó sẽ xử lý gói RREQ theo tiến trình hoạt động bình thƣờng của giao thức AODV và thay thế giá trị của trƣờng năng lƣợng truyền trong gói RREQ bằng năng lƣợng truyền của mình trƣớc khi chuyển tiếp gói RREQ. Ngƣợc lại, nút nhận chỉ đơn giản sẽ hủy bỏ gói RREQ và liên kết một chiều này sẽ bị từ chối trong pha chuyển tiếp gói RREQ. Điều này sẽ giúp cho tiến trình quảng bá gói RREQ từ nút nguồn tới đƣợc nút đích qua một con đƣờng chỉ chứa các liên kết hai chiều.
2.2.3. Khám phá đường tin cậy
Trong một mạng hỗn hợp, giao thức định tuyến AODV sử dụng thuật toán tìm đƣờng ngắn nhất theo số chặng và kết quả là trong đƣờng đƣợc chọn có thể sẽ xuất hiện các liên kết yếu. Điều này có thể dẫn đến việc thƣờng xuyên xuất hiện đƣờng bị lỗi, ngay cả trong trƣờng hợp các nút mạng di chuyển ít và chậm. Kết quả là tải điều khiển sẽ tăng lên do tiến trình tìm lại đƣờng thƣờng xuyên bị kích hoạt. Để tối thiểu hóa tải điều khiển và tiết kiệm các tài nguyên mạng, trong thiết kế xuyên tầng đƣợc đề xuất ở đây, cƣờng độ tín hiệu nhận của gói RREQ đƣợc sử dụng để quyết định có chuyển tiếp gói RREQ đi hay không. Khi gói RREQ tới từ các liên kết yếu bị hủy thì tần xuất lỗi đƣờng sẽ đƣợc giảm xuống và kết quả là các đƣờng bền vững (tin cậy) hơn sẽ đƣợc thiết lập trong bảng định tuyến.
Trong đề xuất này, cƣờng độ tín hiệu nhận của gói RREQ đƣợc so sánh với một giá trị ngƣỡng cố định đƣợc xác định trƣớc và việc ra quyết định có chuyển tiếp gói RREQ hay không đƣợc thực hiện trên cơ sở của ngƣỡng này mà không phụ thuộc vào chiều của các nút gửi và nhận gói RREQ. Cách làm này đã làm giảm tần suất lỗi liên kết và tải định tuyến nhƣng hiệu năng tổng thể thì chƣa đƣợc thỏa mãn bởi vì số lƣợng chặng trên đƣờng tin cậy sẽ tăng lên. Vì vậy, trong đề xuất này, cơ chế ra quyết định chuyển tiếp gói RREQ đƣợc thực hiện trên cơ sở chiều truyền hiện tại đang thực hiện là từ nút nhận hay nút gửi. Thêm vào đó, ngƣỡng cƣờng độ tín hiệu cũng đƣợc điều chỉnh theo tốc độ di chuyển của các nút.
Hình 2.3. Tiến trình khám phá đường tin cậy
Bản chất của thiết kế này đƣợc minh họa trong Hình 2.3, trong đó nút A gửi một gói RREQ đi, nút B và C đều nhận đƣợc gói này. Khi cƣờng độ tín hiệu nhận tại nút B vƣợt qua ngƣỡng, nó sẽ chuyển tiếp gói RREQ. Tuy nhiên, nút C sẽ hủy bỏ gói RREQ vì nó đã di chuyển ra ngoài biên an toàn đƣợc định nghĩa bởi ngƣỡng biến đổi theo tính di động. Với thiết kế này, nút C có thể chuyển tiếp gói RREQ nếu nút A và C tiến lại gần nhau hơn, kể cả khi nút C vƣợt ra ngoài phạm vi giới hạn đƣợc xác định bằng giá trị ngƣỡng. RREQ Chuyển tiếp A C B Hủy Phạm vi truyền của A Phạm vi giới hạn do ngưỡng
Cƣờng độ tín hiệu nhận đƣợc (RSS) của gói RREQ đƣợc lƣu trữ / cập nhật trong Bảng láng giềng (NT) của giao thức định tuyến cùng với địa chỉ của nút láng giềng đã gửi gói RREQ đến nút hiện tại. Khi một nút nhận gói RREQ, nó sử dụng giá trị RSS hiện tại khi nhận gói RREQ và giá trị RSS tƣơng ứng trong Bảng láng giềng để phát hiện chiều di chuyển giữa nút gửi và nút nhận. Nếu giá trị RSS hiện tại lớn hơn giá trị RSS trong Bảng láng giềng thì hai nút đang di chuyển tới gần nhau, ngƣợc lại thì chúng đang di chuyển ra xa nhau. Ý tƣởng thiết kế này đƣợc minh họa bằng sơ đồ luồng trong Hình 2.4.
Hình 2.4. Sơ đồ luồng của giao thức xuyên tầng
2.3. Phƣơng pháp định tuyến tiết kiệm năng lƣợng cho mạng cảm biến
Giao thức định tuyến EADV (Energy Aware Distance Vector Routing Protocol) do Mahlknecht đề xuất [5] đƣợc thiết kế cho các mạng cảm biến
RREQ, RSS_hiện_tại RSS_hiện_tại > Ngưỡng RREQ, RSS_hiện_tại RSS_hiện_tại RSS_trước Cập nhật RSS trong Bảng NT
Xử lý gói RREQ Từ chối gói RREQ
Cập nhật RSS trong Bảng NT No
No Yes
nguyên thủy. Đây là mạng chỉ bao gồm một nút dữ liệu (data sink node) và một tập các nút cảm biến với số lƣợng bất kỳ. Khi so sánh định tuyến qua các chặng dài, định tuyến ngắn đa chặng tiêu thụ ít năng lƣợng hơn và có thông lƣợng cao hơn. Giao thức EADV sử dụng các thông tin của các nút láng giềng và thông tin về giá của đƣờng và hoạt động cơ chế định tuyến ngắn đa chặng. Các phần sau đây sẽ mô tả chi tiết về hoạt động của giao thức EADV.
2.3.1. Khởi tạo mạng
Nút dữ liệu bắt đầu khởi tạo mạng bằng cách phát ra quảng bá khởi tạo gọi