Thuật toán phân cụm Phân tán Tập trung Đặc tính truyền thơng Chọn CH dựa trên Hiệu quả năng lượng Độ phức tạp tính tốn Độ phức tạp thơng báo Dựa trên LEACH [6,
40, 49, 77, 86] ∨
Đơn
chặng
Xác
suất Cao O(n) O(1) LEACH-C [75] ∨ Đơn
chặng
Xác
suất Cao O(n) O(1)
EECS [114] ∨ Đơn
chặng
Xác
suất Cao O(n) O(n)
HEED [115] ∨ Đa
chặng Lặp Cao O(1) O(n)
CEEC [13] ∨ Đơn
chặng
Xác
suất Cao O(n) O(1)
SDWSN [109] ∨ Đơn chặng Khoảng cách và năng lượng
Tuy nhiên, nếu BS ở xa, các nút sẽ tiêu tốn năng lượng cho giai đoạn đầu của mỗi vịng cho việc truyền thơng tin với BS. Giao thức điển hình cho việc phân cụm tập trung là LEACH-C [75, 110] được đề xuất bởi Siva D. Muruganathan và các cộng sự, nhóm tác giả cũng tính tốn và đưa ra được số cụm thiết lập cho mỗi vòng tối ưu là 5% số nút cho mỗi mạng.
Bảng 2.1 tóm tắt những điểm khác nhau chính giữa các thuật tốn phân cụm, truyền thông đơn chặng được khảo sát. Các tiêu chuẩn đánh giá gồm độ phức tạp tính tốn,
độ phức tạp thơng báo, nó được ước lượng bằng tổng số gói tin điều khiển và gói dữ
liệu được gửi ở một nút mạng, ở đây, chúng tôi giả thiết rằng kích thước các gói tin là như nhau. Trong thực tế, độ phức tạp thông báo thông thường được đánh giá
bằng tổng kích thước của các gói tin (tính bằng số "bít") được sử dụng trong giai
đoạn thiết lập cụm vì chúng có ảnh hưởng trực tiếp đến mức tiêu thụ năng lượng
của các nút.
2.2.5.3. Phân cụm hiệu quả năng lượng dựa trên chuỗi
Thay vì các nút trong cụm kết nối, truyền thông trực tiếp một chặng với nút cụm trưởng, các giao thức định tuyến dựa trên chuỗi giảm khoảng cách truyền giữa các nút trong cụm bằng cách kết nối và truyền thơng với nút hàng xóm gần nhất, do đó tăng hiệu quả sử dụng năng lượng của mạng cảm biến không dây.
Giao thức tập hợp hiệu quả năng lượng trong hệ thống thông tin cảm biến (PEGASIS) [38, 64, 93] thuộc họ giao thức định tuyến phân cụm dựa trên chuỗi
trong mạng cảm biến không dây, PEGASIS thực hiện hai nhiệm vụ chính:
− Kéo dài thời gian sống cho mạng bằng cách nâng cao hiệu quả tiêu thụ năng lượng và cân bằng tiêu thụ năng lượng cho tất cả các nút
− Giảm thời gian trễ truyền từ các nút đến BS
PEGASIS xem xét mô hình mạng bao gồm tập hợp các nút mạng có cấu trúc đồng nhất (các nút có dung lượng bộ nhớ, nguồn pin và bộ vi xử lý như nhau) được triển khai trên một vùng địa lý, các nút này có sự hiểu biết về vị trí các nút khác trong mạng. Hơn nữa các nút cịn có khả năng điều chỉnh công suất và được trang bị bộ thu phát sóng vơ tuyến dùng kỹ thuật CDMA. Mục tiêu của giao thức định tuyến
này là giảm năng lượng tiêu thụ và truyền dữ liệu thu thập được từ các nút đến trạm gốc với độ trễ thấp. Khác với các giao thức khác dựa trên cấu trúc mạng hình cây hay tổ chức mạng phân chia theo cụm, PEGASIS sử dụng cấu trúc chuỗi, các nút chỉ truyền thơng với nút hàng xóm gần nó nhất. Việc xây dựng chuỗi bắt đầu từ nút xa nút BS nhất và các nút mới được thêm vào để chuỗi tăng lên bắt đầu từ nút hàng
xóm gần nhất tới nút cuối cùng. Để xác định các hàng xóm gần nhất, một nút đo độ mạnh của tín hiệu nhận được từ tất cả các nút hàng xóm bằng đơn vị chức năng
RSSI [5, 61]. Sử dụng thông tin này các nút cảm biến điều chỉnh cường độ tín hiệu phát đủ để chỉ các nút gần nhất nghe thấy. Sau đó, PEGASIS chọn một nút có vị trí ngẫu nhiên bên trong chuỗi làm nút CH, nút này có nhiệm vụ tập hợp dữ liệu và truyền dữ liệu tập hợp được tới trạm cơ sở. Vai trò nút cụm trưởng sẽ được chuyển cho nút khác sau mỗi vòng (khoảng thời gian cố định). Việc quay vòng nút CH
trong chuỗi nhằm đảm bảo cân bằng tải tiêu thụ năng lượng giữa các nút trong
mạng. Tuy nhiên, điều đáng chú ý là việc thay đổi vai trò nút cụm trưởng trong
chuỗi có thể dẫn đến nút cụm trưởng cách xa nút trung chuyển BS, khi đó nút này
lại cần công suất cao để truyền đến nút trung chuyển. Việc tổng hợp dữ liệu dọc
theo chuỗi có thể được thực hiện tuần tự. Đầu tiên nút cụm trưởng sẽ gửi một thẻ bài tới nút cuối cùng bên phải chuỗi. Khi nhận thẻ bài, nút cuối sẽ gửi dữ liệu cảm biến được đến nút lân cận theo chiều hướng tới nút CH, tiếp đó nút này lại tổng hợp dữ liệu và tiếp tục gửi đến nút lân cận kế tiếp. Khi nhận được dữ liệu từ nút bên
phải chuỗi, nút CH lại gửi thẻ bài tới nút cuối bên trái chuỗi. Cứ như vậy cho đến
khi nút CH nhận được dữ liệu từ cả hai bên chuỗi, khi đó, nó thực hiện tổng hợp dữ liệu và gửi đến BS. Mặc dù kỹ thuật này là đơn giản nhưng mơ hình tổng hợp tuần tự này dễ gây ra trễ trước khi dữ liệu tập trung được gửi đến BS. Do đó, một
phương pháp khác được nêu ra để giảm độ trễ là dùng mơ hình tổng hợp dữ liệu
song song dọc theo chuỗi, và nó sẽ giảm nhiều hơn nếu các nút mạng được trang bị bộ thu phát sử dụng CDMA. Hình 2.3 minh họa giải thuật thu thập và tổng hợp dữ liệu song song dựa trên chuỗi trong một vòng của PEGASIS [65, 96]. Trong lược đồ Hình 2.3, giả thiết rằng tất cả các nút đều biết được các thông tin chung về mạng và
liệu tới trạm cơ sở dựa theo vòng. Tại vịng thứ i thì nút thứ (i mod N) với N là số nút tham gia vào chuỗi sẽ chịu trách nhiệm truyền dữ liệu tới nút cơ sở. Dựa vào phương pháp này thì nút 3 ở vị trí số 3 là nút cụm trưởng trong vịng đang xét (vòng 3). 1 2 3 4 5 6 7 0 Vị trí nút 1 3 5 7 Vị trí nút 3 7 Vị trí nút 3 7 0 3 3 1 2 4 5 6 7 7 5 1 Vịng 3 Trạm cơ sở
Hình 2.3: Lược đồ thu thập và tập hợp dữ liệu song song trên chuỗi trong một vòng
Mức đầu tiên các nút được đánh số chẵn sẽ phát dữ liệu tập hợp được cho nút bên phải của mình. Mức kế tiếp, các nút đang có dữ liệu tổng hợp nó được đánh số lại và các nút đánh số chẵn sẽ phát dữ liệu cho nút ngay bên phải của nó. Ở mức cuối cùng, nút 7 được đánh số 1 là nút chứa dữ liệu lân cận cuối cùng của nút cụm
trưởng 3. Nút 3 tổng hợp dữ liệu nhận được của các nút gửi tới trước đó cùng với dữ liệu nó cảm biến được và chuyển tiếp tới BS. Lược đồ đảm bảo rằng sau log2N bước, dữ liệu tổng hợp sẽ được gửi đến nút CH [96].
Các kết quả mô phỏng cho thấy cấu trúc mở rộng của PEGASIS cũng như khả năng cải tiến của giao thức LEACH đã cải thiện được đáng kể các nhược điểm của các
giao thức định tuyến truyền thống [65]. Tuy nhiên, Yongchang Yu cùng các cộng sự
[117] đã cho thấy thuật tốn xây dựng chuỗi như PEGASIS khó tránh khỏi các liên
kết dài - "long chain". Từ đó, nhóm tác giả đã đưa ra giải pháp cải tiến bằng cách sử dụng một giá trị ngưỡng khoảng cách dthresshold. Trước khi nút i+1 gia nhập chuỗi,
nút i+1 sẽ kiểm tra khoảng cách di của nó với ngưỡng dthresshold, nếu di nhỏ hơn dthresshold thì nút được gia nhập chuỗi. Ngược lại, nút i+1 sẽ được kết nối với một nút khác gần chuỗi nhất. Thêm nữa, Kyu Sung Ahn cùng các công sự đã đề xuất lược
đồ định tuyến chuỗi cho hiệu quả sử dụng năng lượng BCBRP [3], nơi mà toàn bộ
vùng cảm biến mạng được chia thành các cụm (hoặc mạng con) có kích thước bằng nhau. Mỗi mạng con xây dựng một chuỗi sau đó chúng được kết nối với nhau thông qua các nút bắc cầu (bridge nodes). Với BCBRP, khoảng cách lớn nhất giữa các nút trong chuỗi sẽ giảm bằng cách giảm kích thước các mạng con, do đó, tiết kiệm được năng lượng và kéo dài thời gian sống cho mạng.
Gần đây, một cơng trình của Feng Sen cùng các cộng sự [93] đã đề xuất phương án cải tiến PEGASES gọi là IEEPB. Để giảm các liên kết dài "long link" giữa các nút trong chuỗi, IEEPB thực hiện chọn nút gia nhập chuỗi không chỉ so sánh với nút cuối chuỗi "end node" mà còn so sánh với các nút khác trong chuỗi để tìm ra nút kết nối gần nhất trong chuỗi. Hơn nữa, IEEPB cũng xem xét đến năng lượng còn lại của các nút ứng viên và khoảng cách từ nó đến BS để chọn nút lãnh đạo chuỗi (CH). Do vậy, IEEPB cho hiệu quả sử dụng năng lượng tốt hơn PEGASIS.
Một đề xuất xây dựng chuỗi khác được Yongchang Yu và Gang Wei đưa ra là
LBEERA [118], nơi mà toàn bộ vùng cảm biến mạng được chia thành các vùng,
cụm cố định khác nhau. Các nút trong cụm được xây dựng thành các chuỗi riêng biệt, chúng gồm nút cụm trưởng và các nút thành viên trong cụm. Dữ liệu được
truyền định kỳ từ nút xa nhất trong chuỗi đến nút hàng xóm kế tiếp và đến CH, các CH được chia ra thành CH và siêu CH dựa vào khoảng cách từ chúng tới BS. Các nút siêu CH sẽ ở gần BS hơn và chịu trách nhiệm gửi dữ liệu đến BS còn các nút CH ở xa sẽ gửi dữ liệu đến các siêu CH. Nhờ đó, LBEERA đạt được tỉ lệ nút chết thấp hơn và có độ trễ tuyến nhỏ hơn khi so sánh với LEACH và PEGASIS [118]. Wenjing Guo và các công sự [38] đã đề xuất phương án cải tiến PEGASIS, gọi là
PEG-ant, sử dụng thuật toán đàn kiến để xây dựng chuỗi, tạo ra tổng khoảng cách
toàn cục là nhỏ nhất thay vì sử dụng thuật tốn tham lam. Thêm nữa, trong quá trình chọn nút lãnh đạo chuỗi, PEG-ant xem xét đến năng lượng còn lại của nút ứng viên
Khác với các đề xuất trên, trong các đề xuất [23, 32, 50] thực hiện chia toàn bộ
vùng cảm biến ra thành các cụm, cung nhỏ gọi là "track-sector", các cung này có tâm là nút đích (BS). Các nút trong mỗi cung được chia ra thành các mức khác
nhau, chúng xa dần tính từ nút BS. Việc chia này kết hợp với việc kết nối các nút thành chuỗi nhỏ sử dụng thuật toán tham lam đã giúp giảm dữ liệu dư thừa và
khoảng cách truyền giữa CH và BS, do đó, nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng
và kéo dài thời gian sống cho mạng.
Trong đề xuất giao thức lập lịch ngủ thông tin địa lý và định tuyến hiệu quả năng
lượng dựa trên chuỗi GSSC [70], các tác giả chia vùng cảm biến thành các cụm,
mỗi cụm gồm nhiều ô lưới ảo dựa trên thông tin vị trí của các nút. Trong mỗi ơ lưới nhỏ, chỉ có một nút có năng lượng cịn lại lớn nhất ở trạng thái hoạt động tích cực, các nút khác đi vào chế độ ngủ để tiết kiệm năng lượng và loại bỏ dữ liệu trùng lặp. Hơn nữa, GSSC xây dựng chuỗi cho mỗi cụm bắt đầu từ nút ở ô lưới xa nhất để
giảm khoảng cách truyền thông giữa các nút trong cụm, định tuyến dữ liệu cảm biến
được từ các nút hoạt động tích cực tới BS.
Ying Tian cùng cộng sự đã đề xuất giao thức định tuyến cụm chuỗi hiệu quả năng lượng (ECR) [104]. ECR kết hợp giữa chia toàn bộ vùng cảm biến thành các vùng nhỏ có kích thước bằng nhau, mỗi vùng tương ứng với một cụm, mỗi cụm xây dựng một chuỗi tương ứng giống như PEGASIS. Ở vịng thứ r, BS chọn một nút đóng vai trò như CH dựa vào ID của nút (mỗi nút trong mạng được gán một số gọi là ID) và mức năng lượng được chèn vào trong gói dữ liệu của các nút, chúng được truyền tới BS ở vòng thứ r -1 trước đó. Ưu điểm của đề xuất này là dữ liệu truyền trong mạng theo chiều dài chuỗi trong nhiều cụm khác nhau, do đó, giảm được độ trễ truyền
thơng và tránh tắc nghẽn mạng. Tuy nhiên, việc gửi ID của nút và năng lượng cịn lại của nó trong các gói dữ liệu dẫn đến tăng chi phí truyền thơng mà truyền dữ liệu là một trong những hoạt động tiêu tốn năng lượng nhiều nhất trong WSN. Bảng 2.2 tóm tắt những điểm khác nhau chính giữa các thuật toán phân cụm dựa trên chuỗi