Trong pha thiết lập gradient thì các sink sẽ thiết lập một tập hợp các đường dẫn. Sink có thể sử dụng đường dẫn này với sự kiện chất lượng cao để làm tăng tốc độ dữ liệu. Điều này đạt được thông qua một đường dẫn được hỗ trợ xử lý (path reinforcement process). Các sink này có thể sử dụng sự hỗ trợ của một số các nút lân cận. Để làm được điều này sink có thể gửi lại bản tin yêu cầu từ nguồn ở tốc độ cao thông qua các đường dẫn được chọn, nhờ việc tăng cường các nút nguồn trên đường dẫn để được gửi dữ liệu thường xuyên hơn. Directed Diffusion có ưu điểm nếu một đường dẫn nào đó giữa sink và một nút bị lỗi, một đường dẫn có tốc độ dữ liệu thấp hơn được thay thế. Kỹ thuật định tuyến này ổn định dưới phạm vi mạng động. Loại giao thức định tuyến này tiết kiệm năng lượng đáng kể.
Directed Diffusion khác SPIN ở hai khía cạnh. Một là Directed Diffusion đưa ra theo yêu cầu các truy vấn dữ liệu chẳng hạn như trạm cơ sở gửi các yêu cầu tới các nút cảm biến bằng việc phát tràn một vài tác vụ. Trong SPIN, các bộ cảm biến quảng bá khả năng sẵn có về mặt dữ liệu của chúng để cho phép các nút yêu cầu truy vấn dữ liệu đó. Hai là, tất cả các thông tin liên lạc trong Directed Diffusion là từ láng giềng tới láng giềng với mỗi nút có khả năng thực thi dữ liệu kết tập và đệm. Không giống như SPIN, không cần phải duy trì một topo mạng toàn cục trong Directed Diffusion. Tuy nhiên, Directed Diffusion có thể không được áp dụng cho các ứng dụng (chẳng hạn như theo dõi môi trường, …) mà đòi hỏi dữ liệu liên tục được phân phối về trạm cơ sở.
Thêm vào đó, dữ liệu kết hợp với các truy vấn có thể tốn thêm một số chi phí phụ tại các nút cảm biến.
Minimum Cost Forwarding Algorithm (MCFA) [6]
Thuật toán MCFA khai thác sự định tuyến trực tiếp luôn được biết đến đó là các trạm cơ sở cố định bên ngoài. Do đó, một nút cảm biến không cần phải có một ID duy nhất và cũng không duy trì một bảng định tuyến. Thay vào đó, mỗi nút duy trì một ước lượng giá tối thiểu từ bản thân nó tới trạm cơ sở. Mỗi thông điệp được chuyển tiếp bởi các nút cảm biến sẽ được phát tới các nút láng giềng. Khi một nút nhận được thông điệp, nó kiểm tra xem có phải nó nằm trên đường đi với chi phí ít nhất giữa nút cảm biến nguồn và trạm cơ sở hay không. Nếu đúng thì nó sẽ phát quảng bá lại thông điệp đó tới các hàng xóm của nó. Tiến trình này lặp lại cho đến khi nào tới được trạm cơ sở. Trong MCFA, mỗi nút nên biết ước lượng đường đi với chi phí ít nhất giữa nó tới trạm cơ sở. Điều này thực hiện như sau. Trạm cơ sở phát quảng bá thông điệp với chi phí thiết lập là 0 trong khi mỗi nút ban đầu thiết lập chi phí ít nhất tới trạm cơ sở là . Mỗi nút, khi nhận được tin nhắn có nguồn gốc phát sóng tại trạm cơ sở, kiểm tra xem chi phí thông điệp cộng với các liên kết mà nó nhận được ít hơn chi phí hiện tại không. Nếu đúng thì chi phí hiện tại và chi phí trong việc quảng bá thông điệp sẽ được câp nhật. Nếu thông điệp nhận được đã cập nhật sau đó nó sẽ được gửi lại, còn nếu không thì sẽ bị xóa bỏ và không làm gì cả. Tuy nhiên các thủ tục trước đó có thể dẫn đến một số các nút có nhiều thông tin cập nhật và những nút cách xa các trạm cơ sở sẽ được cập nhật nhiều hơn các nút ở gần trạm cơ sở. Để tránh điều này, MCFA đã được sửa đổi để chạy một giải thuật đếm ngược ở pha cài đặt. Giải thuật đếm ngược này bắt một nút không được gửi thông điệp cập nhật cho đến khi đơn vị thời gian đã trôi qua a*lc
tính từ lúc thông điệp được cập nhật, với a là một hằng số và lc là chi phí khi nhận thông điệp.
Energy Aware Routing [6]
Mục tiêu của giao thức định tuyến nhận biết năng lượng là nhằm tăng thời gian sống cho toàn mạng. Mặc dù giao thức này tương tự như Directed Diffusion, nó cũng có khác biệt theo nghĩa là nó duy trì một tập hợp các đường đi thay vì duy trì hoặc thực thi một trong những con đường tối ưu ở mức cao. Những con đường được duy trì và được lựa chọn theo một xác suất nhất định. Giá trị của xác suất này phụ thuộc vào việc tiêu thụ năng lượng thấp của mỗi con đường có thể đạt được. Bởi có những con đường lựa chọn tại thời điểm khác nhau, năng lượng của bất kỳ con đường duy nhất nào cũng sẽ không bị cạn kiệt nhanh chóng. Điều này có thể đạt tới một mạng với thời gian sống lâu hơn với năng lượng còn lại nhiều hơn là tiêu thụ đều cho tất cả các nút.
mỗi nút có thể địa chỉ hóa được thông qua một việc địa chỉ hóa theo lớp mà bao gồm vị trí và loại nút. Các giao thức khởi tạo một kết nối thông qua việc phát tràn cục bộ hóa, được sử dụng để khám phá tất cả các đường đi giữa cặp nguồn/đích và chi phí của chúng, từ đó xây dựng nên các bảng định tuyến. Các đường đi với chi phí cao bị bỏ đi và một bảng chuyển tiếp được xây dựng bằng cách chọn các nút lân cận theo cách tỷ lệ thuận với chi phí của chúng. Sau đó, các bảng chuyển tiếp được sử dụng để gửi dữ liệu đến đích với một xác suất đó là tỷ lệ nghịch với chi phí nút. Việc phát tràn cục bộ được thực hiện bởi nút đích để giữ cho các đường đi tồn tại. Khi so sánh với Directed Diffusion, giao thức này cung cấp một một sự cải tiến tổng thể của việc tiết kiệm năng lượng tới 21,5% và tăng 44% thời gian sống của mạng. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi phải thu thập thông tin vị trí và thiết lập cơ chế giải quyết cho các nút, trong đó việc thiết lập đường đi phức tạp hơn so với Directed Diffusion.
Tối thiểu hóa năng lƣợng cho mỗi gói (hoặc cho mỗi bit) việc xây dựng đơn
giản nhất là nhìn vào tổng số năng lượng cần thiết để vận chuyển một gói tin trên một đường đi đa chặng từ nguồn tới đích (bao gồm tất cả các tổng chi phí). Mục tiêu là sau đó sẽ tối thiểu hóa, đối với mỗi gói, tổng lượng năng lượng bằng việc chọn một đường đi tốt.
Việc tối thiểu hóa qua các chặng thông thường sẽ không đạt được mục tiêu này ngay cả khi các đường đi với một vài chặng có thể bao gồm công suất truyền lớn để bao phủ một diện tích – nhưng với khoảng cách độc lập, hiệu số không đổi trong mô hình tiêu thụ năng lượng. Tuy nhiên, số liệu chi phí này có thể dễ dàng được tiêu chuẩn hóa trong các thuật toán định tuyến. Nó có thể dẫn đến tiêu thụ năng lượng rất khác nhau đối với các nút khác nhau.
Tối đa hóa thời gian sống của mạng Một nhiệm vụ của mạng cảm biến vô
tuyến là không chỉ có truyền dữ liệu mà còn phải quan sát nữa (có thể là điều khiển). Do vậy, việc truyền với năng lượng hiệu quả là tốt nhằm đạt mục đích tối ưu: kéo dài thời gian sống của mạng để mạng thực thi nhiệm vụ càng lâu càng tốt.
Một vài sự kiện liên quan đến giới hạn về thời gian sống của mạng:: • Thời gian cho đến khi nút đầu tiên bị lỗi.
• Thời gian cho đến khi có một điểm mà không bao phủ được bởi mạng nữa (bị mất bao phủ, do mạng bị nới rộng ra).
• Thời gian cho đến khi mạng phân vùng (khi có hai nút trở lên không thể truyền thông lâu hơn với nhau).
Việc đảm bảo thời gian sống của mạng ở mức cao nhất có thể là bài toán NP- complete.
Xem xét việc định tuyến với lƣợng pin còn lại Trong khi việc tối đa hóa thời gian sống của mạng rõ ràng là một mục tiêu có ích, nó không ngay lập tức cho thấy làm thế nào để đạt được mục tiêu này bằng cách sử dụng các thông số quan sát của một mạng lưới thực tế. Khi vấn đề cung cấp năng lượng hữu hạn từ pin là yếu tố hạn chế đến thời gian sống mạng, nó cần phải sử dụng thông tin về tình trạng pin trong các quyết định định tuyến. Có một số khả năng sau:
Tối đa hóa tổng dung lƣợng pin còn lại Chọn ra đường mà tổng dung lượng
pin còn lại là được tối đa, mà không cần dùng đến công suất tối đa có sẵn.
Tối thiểu hóa chi phí về năng lƣợng để định tuyến (Minimum Battery Cost
Routing - MBCR) Thay vì tìm kiếm một cách trực tiếp các tổng dung lượng
pin theo một đường đi đưa ra, MBCR sẽ tìm trong các “sự miễn cưỡng” của các nút khi tham gia định tuyến. Sự miễn cưỡng này tăng lên khi pin ngày càng cạn; chẳng hạn, sự miễn cưỡng hay chi phí định tuyến có thể đo được bằng nghịch đảo của tổng dung lượng pin. Sau đó, giá của một đường đi là tổng của nghịch đảo này và các quy tắc sẽ nhằm để đưa ra con đường với chi phí nhỏ nhất. Kể từ khi hàm nghịch đảo gán các chi phí cao cho các nút với pin yếu, việc này sẽ tự động dịch chuyển đường đi khỏi các nút sắp hết pin.
Định tuyến chi phí pin Tối đa – tối thiểu (Min–Max Battery Cost Routing -
MMBCR) Để bảo vệ các nút yếu pin, thay vì sử dụng tổng nghịch đảo, có thể
sử dụng mức nghịch đảo cao nhất của các nút dọc theo đường đi như chi phí của đường đi này. Sau đó, đường đi với chi nhỏ nhất sẽ được sử dụng.
Định tuyến chi phí pin Tối đa – tối thiểu có điều kiện (Conditional Max–
Min Battery Capacity Routing – CMMBCR) Đây là một tùy chọn cho phép
sử dụng nút để định tuyến khi định mức pin đảm bảo yêu cầu. Nếu có nhiều đường đi mà tất cả các nút đều bị mất năng lượng vượt quá ngưỡng cho phép thì sẽ phải chọn ra một đường đi với lượng năng lượng bị tiêu thụ là ít nhất. Nếu không có đường đi nào thì phải chọn ra đường nào mà có thể tối đa hóa được lượng pin còn lại. Tối thiểu hóa sự thay đổi về định mức pin để đảm bảo thời gian sống của mạng được kéo dài hơn. Một kịch bản được đưa ra là sử dụng đồng đều tất cả các pin để tránh trường hợp một vài nút bị hết pin và ảnh hưởng tới mạng.
Do đó, các đường đi nên được lựa chọn sao cho mức tiêu thụ pin giữa các đường khác nhau được giảm xuống.
Định tuyến tối thiểu tổng lƣợng năng lƣợng truyền (Minimum Total
Transmission Power Routing – MTPR)Giả sử một số nút truyền trực tiếp đến
lượng năng lượng truyền cho mỗi kênh phát (cho các đơn vị kênh suy giảm) như vậy mà tất cả được truyền đi thành công và tổng của tất cả các giá trị năng lượng tiêu thụ sẽ được giảm thiểu.
MTPR tất nhiên cũng áp dụng đối với mạng multi-hop.
2.1.1.2. Định tuyến các mạng phân cấp [6]
Định tuyến phân cấp hay còn gọi là định tuyến dựa trên cụm, ban đầu được đưa ra trong các mạng có dây nhưng sau đó cũng được áp dụng trong mạng cảm biến vô tuyến nhằm mục đích gia tăng hiệu quả sử dụng năng lượng. Trong một kiến trúc phân cấp, các nút năng lượng cao có thể được sử dụng để thao tác và gửi thông tin trong khi các nút yếu hơn có thể được sử dụng để thực hiện chức năng cảm biến. Điều này tạo nên các cụm và gán các nhiệm vụ đặc biệt cho các nút đứng đầu cụm/nút chủ (cluster head) có thể làm gia tăng một cách đáng kể sự mềm dẻo, thời gian sống và năng lượng sử dụng hiệu quả của toàn mạng. Việc định tuyến phân cấp là một cách hiệu quả để giảm sự tiêu thụ năng lượng của một cụm xuống và bằng việc thực thi sự kết tập dữ liệu và gộp dữ liệu nhằm giảm số thông báo gửi về trạm cơ sở. Định tuyến phân cấp sử dụng chủ yếu là hai lớp định tuyến, nơi một lớp được sử dụng để chọn ra các nút đứng đầu cụm và lớp còn lại được sử dụng cho định tuyến. Tuy nhiên, hầu hết các kỹ thuật này không đơn giản chỉ có định tuyến, thay vào đó nó gửi hoặc xử lý/tổng hợp các thông tin, vv…, phân bổ kênh, có thể trực giao với chức năng định tuyến multi-hop.
LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) [6]
Là giao thức phân cấp theo cụm thích ứng năng lượng thấp. Đây là giao thức thu lượm và phân phát dữ liệu tới các sink đặc biệt là các trạm cơ sở. Mục tiêu chính của LEACH là:
- Mở rộng thời gian sống của mạng
- Giảm sự tiêu thụ năng lượng bởi mỗi nút mạng
- Sử dụng tập trung dữ liệu để giảm bản tin truyền dẫn trong mạng
Để đạt được những mục tiêu này LEACH đã thông qua mô hình phân cấp để tổ chức mạng thành các cụm, mỗi cụm được quản lý bởi nút chủ. Nút chủ gánh lấy trọng trách thực hiện nhiều tác vụ. Đầu tiên là thu lượm dữ liệu theo chu kỳ từ các nút thành viên, trong quá trình tập trung dữ liệu nút chủ sẽ cố gắng tập hợp dữ liệu để giảm dư thừa về những dữ liệu tương quan nhau. Nhiệm vụ thứ hai đó là nút chủ sẽ trược tiếp truyền dữ liệu đã được tạp hợp lại đến các trạm cơ sở. Việc truyền này có thể thực hiện theo kiểu single hop. Nhiệm vụ thứ ba là LEACH sẽ tạo ra một mô hình ghép kênh theo thời gian TDMA, mỗi nút trong cụm sẽ được gán một khe thời gian mà có thể sử dụng để truyền tin.
Các nút chủ sẽ quảng bá mô hình TDMA cho các nút thành viên trong cụm của nó. Để giảm thiểu khả năng xung đột giữa các nút cảm biến trong và ngoài cụm, LEACH sử dụng mô hình truy cập đa phân chia theo mã CDMA. Quá trình hoạt động của LEACH được chia thành hai pha là pha thiết lập và pha ổn định. Pha thiết lập bao gồm hai bước là lựa chọn nút chủ và thông tin về cụm. Pha ổn định trạng thái gồm thu lượm dữ liệu, tập trung dữ liệu và truyền dữ liệu đến các trạm cơ sở. Thời gian của bước ổn định kéo dài hơn so với thời gian của bước thiết lập để giảm thiểu mào đầu.
Sau khi được chọn làm nút chủ, các nút chủ sẽ quảng bá vai trò mới của chúng cho các nút còn lại trong mạng. Các nút còn lại trong mạng dựa vào bản tin đó và cường độ tín hiệu nhận được hoặc một số tiêu chuẩn nào đó để quyết định xem có tham gia vào cụm đó hay không. Và sau đó các nút này sẽ thông báo cho nút chủ biết là mình có mong muốn trở thành thành viên của cụm do nút chủ đó đảm nhận.
Trong quá trình tạo cụm các nút chủ sẽ tạo và phân phát mô hình TDMA cho các nút thành viên trong cụm. Mỗi nút chủ cũng chọn lựa một mã CDMA mà sau đó sẽ thông báo tới tất cả các thành viên trong cụm biết. Sau khi pha thiết lập hoàn thành báo hiệu sự bắt đầu của pha ổn định trạng thái và các nút trong cụm sẽ thu lượm dữ liệu và sử dụng các khe thời gian để truyền dữ liệu đến nút chủ. Dữ liệu được thu lượm theo chu kỳ.
Việc mô phỏng cho thấy LEACH tiết kiệm đáng kể năng lượng. Và sự tiết kiệm này phụ thuộc chủ yếu vào hệ số tập trung dữ liệu các nút chủ của cụm.
Tuy nhiên LEACH cũng có một số khuyết điểm sau: Nút đầu cụm (cluster
head)
Trạm cơ sở
Việc giả sử rằng tất cả các nút chủ trong mạng đều truyền đến trạm cơ sở thông qua một bước nhảy là không thực tế, và vì dự trữ năng lượng và khả năng của các nút thay