Diễn giải hoạt động của Directed Diffusion:
Bước 1: Sink/BS gửi yêu cầu bằng cách quảng cáo interest (quan tâm) đến các nút lân cận theo định kỳ. Bản tin interest này sẽ truyền đến tất cả các nút trong mạng để tìm kiếm dữ liệu nào đó. Mục đích xem có nút cảm biến nào có thể tìm kiếm dữ liệu tương ứng mô tả trong interest hay không. Tất cả các nút đều duy trì một bộ nhớ đệm để lưu trữ các thực thể interest từ sink/BS. Bộ nhớ đệm sẽ lưu trữ một thực thể interest gồm một số trường như: nhãn thời gian (timestamp), trường hướng (gradient) cho các nút lân cận và trường thời gian sống của interest (duration). Mỗi hướng sẽ lưu trữ cả tốc độ dữ liệu và chiều mà dữ liệu được gửi đi.
Bước 2: Nút nhận interest tạo liên kết với nút hàng xóm đã gửi interest. Việc truyền bản tin interest trong toàn mạng kết hợp với việc thiết lập các gradient tại mỗi nút cảm biến cho phép tìm ra và thiết lập các đường truyền dữ liệu tới sink/BS.
Bước 3: Đường đi dữ liệu được thiết lập giữa nút cảm nhận thông tin và sink/BS. Khi một nút cảm nhận được thông tin của một sự kiện, nó sẽ tìm kiếm trong bộ nhớ đệm xem có interest nào phù hợp với các mô tả của thông tin cảm nhận được không. Nếu phù hợp nút sẽ gửi mô tả về sự kiện cảm nhận được cho các nút hàng xóm theo hướng. Các nút hàng xóm này sẽ kiểm tra trong bộ nhớ đệm xem có interest nào phù hợp với các mô tả gửi đến không, nếu không nó sẽ loại bỏ dữ liệu, nếu phù hợp nó sẽ nhận dữ liệu này, sẽ thêm mô tả vào bộ nhớ đệm dữ liệu và sau đó gửi bản tin mô tả dữ liệu cho các nút lân cận.
Trong bước 2 thiết lập hướng thì sink/BS sẽ thiết lập một tập hợp các đường đi. sink/BS có thể sử dụng đường dẫn chất lượng cao để làm tăng tốc độ truyền dữ liệu.
Cách gia cố đường đi trong Directed Diffusion: Khi một đường truyền tin thiết lập giữa một nguồn và nơi chứa dữ liệu bị hỏng thì một đường truyền mới thay thế sẽ được xác định bằng cách tìm kiếm đường đi khác và thực hiện gửi dữ liệu ở tốc độ thấp hơn.
* Ưu điểm:Directed diffusion có thể tiết kiệm được năng lượng bằng cách chọn đường truyền tốt theo lịch sử bộ nhớ đệm và quy trình xử lý dữ liệu trong mạng.
* Nhược điểm:
- Directed Diffusion không thể được áp dụng cho tất cả ứng dụng WSNs vì nó được dựa trên một mô hình giao nhận dữ liệu hướng truy vấn. Cácứng dụng đòi hỏi giao nhận dữ liệu liên tục đến nơi chứa dữ liệu sẽ không làm việc hiệu quả với mô hình dữ liệu vận hành truy vấn dựa trên nhu cầu.Do đó, Directed Diffusion không tốt với những ứng dụng nhưgiám sát môi trường.
- Các kế hoạch đặt tên trong Directed Diffusion phụ thuộc từng ứng dụngvà mỗi lần sẽ phải xác định một ưu tiên.Đồng thời phải xử lí phù hợp giữa dữ liệuvà các truy vấn.
2.4.5. Enery-aware routing [1]
Energy-aware routing (định tuyến có nhận biết năng lượng) là giao thức trung tâm dữ liệu tối ưu năng lượng.
* Ý tưởng: Enery-aware routing dùng mộtbộcácđường đicon tối ưu để tăng tuổi thọ củamạng. Các đường đi nàyđược lựa chọnbằng giá trị của một hàm xác suất tùy vào sự tiêu hao năng lượng của mỗi đường đi.
* Các pha trong Enery-aware routing: Giả sử mỗi nút có địa chỉ dựa trên cơ chế định địa chỉ gồm: vị trívà kiểucủa nút. Enery-aware routing thực hiện theo 3 pha sau:
1. Pha thiết lập: thực hiện cục bộ hóa flooding đểtìm ra các đường đi và tạo các bảng chuyển tiếp (Forwarding Table).
Giai đoạn này, tổng chi phí năng lượng được tính toán trong mỗi nút. Ví dụ: nếu yêu cầu được gửi từ nút Niđến nút Nj, thì Njtính toán chi phí của đường đi theo công thức sau:
Trong đó:
- CNj,Ni : chi phí đường đi từ nút Nj đến nútNi
- Cost(Ni): năng lượng để truyền tải tin nhắn yêu cầu của nút Ni - Metric(Nj,Ni): năng lượng tiếp nhận yêu cầu của Nj từ nút Ni
Từ công thức trên, những đường đi có chi phí rất cao bị bỏ đi. Mỗi nút cảm biến gắn một xác suất cho các nút hàng xóm tương ứng trong bảng chuyển tiếp (forwarding Table - FTj) để hình thành đường đi. Công thức tính xác suất của mỗi nút hàng xóm tỉ lệ nghịch với chi phí năng lượng:
Trong đó: PNjNi: Xác suất nút hàng xóm Ni của nút Nj
Sau đóNjtính toán chi phínăng lượng trung bìnhđể đến được đíchbằng cách dùng xác suất các nút hàng xóm trong bảngchuyển tiếp (forwarding table - FTj) theo công thức:
Trong đó: Cost(Nj): Chi phí trung bình của Njđượcthiết lập trong trường chi phí của yêu cầu và đã chuyển tiếp.
2. Pha truyền dữ liệu: Mỗi nút chuyển tiếp gói tinbằng cách chọn ngẫu nhiên một nút hàng xóm theo xác suất trongbảngchuyển tiếp (FTj);
3.Giai đoạn bảo trì đường đi: thực hiện cục bộ hóa flooding không thường xuyên để giữ tất cả đường đi đang tồn tại.
* Ưu điểm: Tiết kiệm năng lượng hơn Directed Diffusion, do đó tăngtuổi thọ mạng.
* Nhược điểm:
- Sử dụng đường truyền đơn sẽ không truyền được tin đến đích nếu một nút hoặc đường truyền bị hỏng;
-Phương pháp này đòi hỏi thu thậpthông tin vị trí và thiếtlập cơ chế định địa chỉ cho các nút.
2.4.6. GBR [1]
GBR là giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu dựa vào hướng.
* Ý tưởng: mỗi nút cảm biến ghi nhận sốchặngtừ nút đó đến sink/BS khi sink/BS phát quảng bá các truy vấn trong mạng (nhận truy vấn quảng bá từ các hàng xóm). Từ đó mỗinút có thể xác định được số chặng tối thiểu đi đến nơi chứa tin (còn gọi là chiều cao của nút).
Sự chênh lệch giữachiều cao của một nút và số hàng xóm của nút đó gọi làhướng trên liên kết đó. Việc truyền tin được thực hiện trên một liên kết với hướnglớn nhất.
GBR sử dụng một số kỹ thuật hỗ trợ như tập hợpdữ liệuvà phân chia lưu lượng để cânđối lưu lượng thống nhấttrong mạng.
Có ba kỹ thuật hỗ trợ sau:
- Chương trình ngẫu nhiên (Stochastic scheme) : khi có hai hoặc nhiều nút hàng xóm cócùng hướng, nút lựa chọn ngẫu nhiên một hàng xóm.
- Chương trình dựa vào năng lượng (Energy-based scheme): Khinăng lượng của một nút giảm xuống dưới một ngưỡng nào đó, thì tăng chiều cao của nút đó đểcảm biến khácđượckhuyến khíchgửi dữ liệu tớinútđó.
- Chương trình dựa vào dòng chảy dữ liệu (Stream-based scheme):để chuyển hướng sang dòng chảydữ liệu mớitừ các nút hiện đang là một phần đường đi của các dòng chảy khác.
* Ưu điểm: Có các chương trình phân chia dữ liệu để đạt được sự phân bố lưu lượngphù hợp trên toàn mạng, giúp chocân đối tải trên các nút cảm biến và tăng tuổi thọcủa mạng. GBR thực hiện tốt hơn trong giới hạn tổng năng lượng giao tiếp.
2.4.7. ACQUIRE [1]
ACQUIRE (chuyển tiếp truy vấn tích cực trong mạng cảm biến) là giao thức trung tâm dữ liệu.
* Ý tưởng:truy vấn được chuyển từ nơi chứa tin (sink/BS) và mỗi nút nhận truy vấn cố gắng để đáp ứng một phần yêu cầu bằng cách sử dụng thông tinđã chứa trong bộ nhớ đệm trước đó và gửi nó đến cảm biến khác. Nếuthông tinđã lưu trữ trong bộ nhớ đệm trước đókhông phải là mới nhất thì thực hiện thu thậpthông tin từ các nút láng giềngtrong giới hạn bán kính d chặng. Sau khi một truy vấn được xử lýxong, thông tin sẽ được gửitrở lại nơi chứa tin (sink/BS) theođường đingắn nhất.
- ACQUIRE phù hợp với các truy vấn phức tạp đòi hỏi thông tin đáp ứng từ nhiều nút.
- Cơ chế ACQUIRE thực hiện hiệu quả bằng cách điều chỉnh giá trị của tham số d. Nếu d=kích thước mạng thì ACQUIRE giống như flooding. Nhưng nếu d quá nhỏ thì truy vấn hình thành nhiều chặng hơn.
ACQUIRE lựa chọn nút tiếp theo đ ể chuyển tiếp truy vấn hoặc chọn ngẫu nhiên hoặc lựa chọn dựa vào tiềm năng tối đa tăng sự hài lòng truy vấn nhưng cũng tăng chi phí năng lượng.
2.5. Các giao thức phân cấp[1-2] 2.5.1. Giới thiệu[1]
WSNs có khả năng mở rộng tốt nếu là mạng đa tầng. Nếu là mạng đơn tầng gây ra quá tải cho gateway (độ trễ trong truyền thông và theo dõi không đầy đủ các sự kiện) khi có sự gia tăng mật độ các nút cảm biến. Ngoài ra, kiến trúc cổng đơn không có khả năng mở rộng các nút cảm biến phủ một khu vực rộng lớn cần quan tâm vì các cảm biến bình thường có khả năng truyền thông đơn chặng yếu. Để tránh tình trạng quá tải và tăng khả năngthực hiện bao phủ trên một khu vực rộng lớn mà không làm suy giảm các dịch vụ, ý tưởng phân cấp được đ ưa ra trong tiếp cận định tuyến.
Mục đích chính của định tuyến phân cấp (hierarchical protocols) là để duy trì hiệu quả tiêu thụ năng lượng của các nút cảm biến bằng cách yêu cầu chúng truyền thông đa chặng sử dụng một cụm (cluster) cụ thể và bằng cách thực hiện tập hợp, hợp nhất dữ liệu để giảm số lượng tin nhắn dữ liệu truyền đến sink/BS. Khuôn dạng cụm cụ thể được hình thành dựa vào năng lượng còn lại của các nút cảm biến và sự gần gũi với nhau giữa các nút cảm biến (sự gần gũi về mặt địa lý). Giao thức LEACH là một trong những giao thức định tuyến phân cấp điển hình.
2.5.2. LEACH [1-3, 9, 14]
LEACH là giao thức định tuyến phân cấp phổ biến nhất cho WSNs.
* Ý tưởng: các cụm của các nút cảm biến được hình thành dựa vào độ mạnh tín hiệu củacác nút và dùng trưởng cụm cục bộ với vài trò như các router để chuyển dữ liệu đến sink/BS. Trưởng cụm thực hiện các xử lý như tập hợp và hợp nhất dữ liệu trước khi gửi dữ liệu về sink/BS.
LEACH sử dụng cơ chế xoay vòngtrưởng cụm một cách ngẫu nhiên theo thời gian để cân đối tiêu tốn năng lượng của các nút cảm biến.
* Quyết định nút làm chức năng trưởng cụm như sau: Giả sử cácnơi nhận dữ liệu (sink hoặc trạm cơ sở BS) cố định và nằm xa các nút cảm biến, tất cả các nút trong WSNs
đều đồng nhất và có năng lượng hạn chế. Trong pha thiết lập, một nút cảmbiến lựa chọn một số ngẫu nhiên giữa 0 và 1. Nút này trở thành trưởng cụm cho vòng hiện tại r nếu số ngẫu nhiên được lựa chọn nhỏ hơn ngưỡng sau đây:
Trong đó:
- p là phần trăm mong muốn của trưởng cụm; - r là vòng hiện tại;
- G là tập hợp của các nút không phải trưởng cụm trong 1/p chu kỳ cuối
Hình 2.5. cho thấy cách tiếp cận thiết kế phân cụm của LEACH.