Phần II: CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ CHO WSN
Chương 4: QoS trong mạng WSN
4.1 Các mô hình QoS trong mạng WSN
Trong mạng dữ liệu thông thường, những mô hình Dịch vụ tích hợp (Intergrated services IntServ) và dịch vụ phân biệt (Differentiated Services DiffServ) tồn tại để – - cung cấp dịch vụ phân biệt. Mô hình IntServ đưa ra một cách đối xử đặc biệt với gói dữ liệu nhận được từ luồng. Mỗi router sẽ lưu trữ trạng thái trên luồng và duy trì một thẻ gọi là “token bucket” cho luồng để chuyển tiếp gói dữ liệu của nó. Trong DiffServ không đảm bảo cung cấp luồng, thay vào đó các router đánh dấu biên cho tập tính chuyển tiếp theo từng chặng (per-hop forwarding behavior- PHB) trong của gói dữ liệu - header (packet header). Các PHB được thực hiện tại các bộ định tuyến bằng cách xếp hàng và quản lý ở điểm tắc nghẽn. Vì vậy, bằng cách ánh xạ các loại lưu lượng tới PHB khác nhau, bộ định tuyến có thể đảm bảo chất lượng các các dịch vụ mạng. Về mặt hiệu quả, DiffServ cung cấp dịch vụ trên cơ sở mỗi khối tập hợp trong khi IntServ cung cấp dịch vụ trên cơ sở từng luồng.
Do giới hạn không gian lưu trữ tại mỗi nút cảm biến và đặc tính lỗi trên kênh cố hữu trong môi trường truyền thông của mạng cảm biến không dây mà các mô hình dịch vụ phân biệt trong mạng cảm biến có một số đặt điểm riêng khác biệt với các mạng truyền thống. Các mạng cảm biến có hai tham số chính cho dịch vụ phân biệt:
- Xác suất tiếp nhận (Reaching Probability): Một gói có mức ưu tiên cao sẽ có xác suất tiếp cận cao tới nút giám sát. Thông thường xác suất của mỗi gói tiếp cận tới nút giám sát dựa trên tỉ lệ lỗi liên kết không dây theo đường dẫn từ nguồn tới đích.
- Độ trễ (Latency : Một gói tin có mức độ ưu tiên cao sẽ tiếp cận tới nút giám ) sát với thời gian trễ ngắn hơn là gói tin có độ ưu tiên thấp. Điều này có nghĩa rằng một gói có độ ưu tiên thấp sẽ mất một đường đi dài hơn là các gói có độ ưu tiên cao. Các gói tin này (gói tin có độ ưu tiên thấp) được phép đi lệch khỏi đường đi ngắn nhất với một độ lệch được giới hạn bởi thời gian trễ để phân tán gói tin.
Cơ chế dịch vụ phân biệt trong mạng cảm biến là tin cậy để phân phát thông tin với một độ tin cậy và độ trễ phụ thuộc vào mức độ quan trọng. Xử lí độ trễ là một tham số của dịch vụ nghĩa là mạng cần có một trình điều khiển qua các đường dẫn của các gói tin. Ví dụ, các gói tin với độ ưu tiên thấp hơn có thể được định tuyến với đường dẫn có độ trễ lớn hơn để bảo tồn năng lượng theo đường dẫn ngắn nhất cho các gói tin có mức ưu tiên cao. Bây giờ chúng ta sẽ mô tả các cơ chế khác nhau mà có thể được sử dụng để cung cấp các dịch vụ phân biệt trong mạng cảm biến.
4.1.1 Mô hình dịch vụ tích hợp
Trong mạng cảm biến khái niệm luồng có thể có hai cách diễn giải. Trung tâm dữ liệu là đối xử một loại dữ liệu như một luồng, thông tin từ tất cả các cảm biến đo nhiệt độ hình thành một khu vực cụ thể là một luồng. Loại này sử dụng trong các giao thức như directed diffusion sử dụng cơ chế trạng thái mềm để refesh định kì chú ý tới một luồng đặc biệt. Mỗi nút sẽ lưu lại những thông tin quan tâm (interest) đi qua nó.
Thông tin sẽ hết hiệu lực một khi nút giám sát dừng làm mới (refresh) nó. Bộ thông dịch trung tâm (host centric interpretation) sẽ coi luồng các gói tin giữa nguồn và - nút giám sát như là một luồng. IntServ áp dụng một mô hình tương tự như các mạng cảm biến yêu cầu bảo trì các trạng thái của mỗi luồng ở mỗi nút. Do hạn chế số lượng bộ nhớ tại một sensor, và số lượng lớn các sensor trong một khu vực, việc giữ các trạng thái cho các luồng ở host trung tâm là không khả thi cho các mạng sensor. Với các luồng trung tâm dữ liệu, mô hình IntServ có thể khả thi chỉ khi số quan tâm (interest) trong một trường cảm biến là nhỏ. Do đó việc cung cấp các dịch vụ đặc biệt từ luồng riêng là khả thi cho các luồng trung tâm dữ liệu với giới hạn số quan tâm. Trong mô hình như vậy, nút giám sát có thể mong muốn xây dựng một dịch vụ đặc biệt cho những mối quan tâm riêng trong thông điệp làm mới mối quan tâm. Ví dụ khi giải quyết một thông điệp làm mới cho một mối quan tâm riêng i, nút giám sát có thể kèm theo mức quan tâm của dịch vụ chỉ ra rằng: “ Nếu một gói có mức ưu tiên p, nó được
nhận một mối quan tâm i, chuyển tiếp nó với xác suất f(p) ”. Cập nhật tham số được xác định trong thông điệp làm mới mối quan tâm của truyền tin trực tiếp, cung cấp một cơ chế để thường xuyên cập nhật các mối quan tâm quan trọng hơn nhưng không cho phép sự khác biệt giữa các gói tin có độ quan trọng khác nhau nhưng có cùng mối quan tâm.
4.1.2 Mô hình dịch vụ phân biệt
DiffServ là khái niệm có thể dễ dàng điều chỉnh phù hợp cho các mạng cảm biến. Các nguồn biết được mức độ quan trọng của mỗi gói mà nó đang gửi, cái có thể chuyển sang mức ưu tiên định trước. Nó đánh dấu PHB hoặc mức ưu tiên trong mỗi gói. Các sensor khác sử dụng gói ưu tiên để quyết định loại dịch vụ mà nó sẽ cung cấp cho gói tin.
(A) Chuyển tiếp một đường (B) Chuyển tiếp nhiều đường
(C) Chuyển tiếp nhiều gói (D) Chuyển tiếp lai (Hybrid)
Hình 4.1: Chuyển tiếp gói tin
Đây là mô hình có tính mở cao vì không có vấn đề gì với số cảm biến trong một khu vực, một nút chuyển tiếp có thể nhận gói tin trong bất cứ thời điểm nào. Do lỗi tự nhiên của kênh vô tuyến, một gói tin đi tới nút giám sát có thể không được đảm bảo. Tuy nhiên, nó mong muốn rằng một gói tin có mức ưu tiên cao sẽ tới nút giám sát với xác suất cao. Có 3 phương pháp đảm bảo cho gói tin được phân phối tới đích:
- Tin báo nhận (Acknowledgment ): Mô hình DiffServ có thể thực thi với một tùy chọn là tin báo nhận phụ thuộc vào mức ưu tiên. Do đó các gói tin ưu tiên cao cũng được ưu tiên tin báo nhận hơn so với các gói tin có mức ưu tiên thấp. Tin báo nhận là một phương pháp thường sử dụng để đảm bảo độ tin cậy khi phân phát gói tin với chi phí truyền thông có thể là quan trọng hơn độ trễ. Hơn nữa một chương trình có tính khả thi hơn nếu có chỗ caching ở các nút cảm biến.
- Gói tin dư thừa (Packet Redundancy ): Trong hướng tiếp cận này cung cấp độ tin cậy mong muốn, nhiều gói tin được sao chép có thể được truyền từ mỗi nút. Bằng cách sử dụng sự dư thừa, hệ thống có thể bù các gói tin bị mất mát trong quá trình truyền tin do lỗi trên kênh. Hướng tiếp cận này chịu thêm chi phí trong số lượng gói tin. Tuy nhiên nó không yêu cầu việc truyền lại và tin báo nhận do đó độ trễ trong phân phát gói tin có thể giảm đi đáng kể. Tuy nhiên hướng tiếp cận này sẽ tốt hơn nếu độ trễ truyền tin là quan trọng hơn so với chi phí truyền tin.
- FEC strength: Chuyển tiếp các mã sửa lỗi có thể được sử dụng để sửa lại các lỗi xảy ra trong các gói tin. Hiệu quả của FEC phụ thuộc vào mức độ dư thừa trong mã.
Vì thế chúng ta có thể tăng tính tin cậy bằng cách cung cấp FEC mạnh hơn trong các gói tin có độ ưu tiên cao trên các kênh lỗi.
Có vài hướng tiếp cận để sử dụng tính dư thừa đảm bảo cho tính tin cậy như sau:
- Nhiều đường chuyển tiếp (multipath forwarding): Hướng tiếp cận này đem lại các ưu điểm của mạng vô tuyến sử dụng broadcast (hình 4.1b). Tất cả các nút lân cận của nút chuyển tiếp có thể nghe việc truyền tin. Mặc dù cũng có thể là duy nhất nút kế tiếp dựa vào thuật toán định tuyến được sử dụng, nhiều nút có thể thực sự được sử dụng để chuyển tiếp gói tin. Hàm xác suất dựa vào tỉ lệ kênh lỗi, độ tin cậy mong đợi và cấp của nút có thể sử dụng là nút nhận để quyết định xem liệu có nên chuyển tiếp gói tin. Vì thế các gói tin có mức ưu tiên thấp nhất chỉ xác định ra nút kế tiếp cần được chuyển tiếp trong khi các nút có mức ưu tiên cao nút chuyển tiếp có thể bị suy thoái vào trong mạng flooding.
- Chuyển tiếp nhiều gói(Multipacket Forwarding): Chỉ thiết kế nút tiếp theo để chuyển tiếp một gói. Sự dư thừa được giới thiệu chuyển tiếp gói nhiều lần. Một nút có thể sử dụng tỉ lệ kênh lỗi và yêu cầu tính tin cậy để tính toán số bản sao của một gói cần để chuyển tiếp.
- Phương pháp lai (Hybrid Mothod): Đây là phương pháp kết hợp cả 2 phương pháp kể trên. Một gói có thể được gửi theo nhiều đường trong một khu vực của cảm biến. Nếu một nút tìm thấy cấp độ cục bộ của nó (local degree) là nhỏ hơn một ngưỡng, nó có thể gửi nhiều bản sao của gói để bù cho nó.