Chương 2: Các giao thức định tuyến tin cậy 43
2.2 Các vấn đề về độ tin cậy trong mạng cảm biến không dây 43
Độ tin cậy có thể được định nghĩa là "khả năng của mạng để đảm bảo truyền dữ liệu trong trạng thái liên tục thay đổi cấu trúc mạng". Phân phát dữ liệu đáng tin cậy là hạn chế chủ yếu do tính chất vốn có của hệ thống thông tin liên lạc không dây.
Mất gói dữ liệu có thể xảy ra do truyền lỗi, tắc nghẽn, nhiễu tần số điện từ - vô tuyến (EMI / RFI) hoặc do vấn đề sự suy giảm năng lượng. Tất cả các nút cảm biến gửi dữ liệu cảm biến của chúng tới nút sink. Điều này có thể dẫn đến lũ lụt gây ra mạng tắc nghẽn. Hơn nữa nút cảm biến có pin hạn chế và do đó để cung cấp dữ liệu
44
nó phải sử dụng chiến lược định tuyến tốt nhất để giảm số lượng các bước nhảy vì nó cần để tiết kiệm năng lượng.
Độ tin cậy có thể được đánh giá dựa trên xác suất gói đến và hiệu suất năng lượng được đánh giá theo năng lượng tiêu thụ trong việc phân phát thành công gói.
Việc phân phát thành công dữ liệu cũng phụ thuộc vào đường dẫn được tối ưu hoá kể từ đa bước nhảy mạng cảm biến không dây được sử dụng.
Độ tin cậy có thể được phân thành các loại sau:
Dựa trên mức độ tin cậy
Độ tin cậy gói tin:
Yêu cầu phải gửi toàn bộ gói tin từ nguồn đến đích.
Cần xác nhận từ đích đến nguồn.
Yêu cầu nhiều nguồn năng lượng để gửi lại toàn bộ gói từ nguồn đến đích.
Độ tin cậy của sự kiện
Chỉ cần sự kiện cảm biến được gửi đến cơ sở trạm dựa trên truy vấn.
Không cần phải thừa nhận.
Thậm chí sự mất dữ liệu cũng không gây ra nhiều ảnh hưởng.
Không truyền lại dữ liệu không cần thiết.
Dựa trên hướng tin cậy
Độ tin cậy đường lên: Nó đề cập đến truyền thông giữa nút cảm biến và nút sink. Việc lan truyền thường là unicast trong tự nhiên. Nhiều giao thức cung cấp đường lên độ tin cậy.
Độ tin cậy đường xuống: Nó đề cập đến truyền thông giữa sink và nút cảm biến. Việc truyền là thường được phát sóng trong tự nhiên.
Trong dữ liệu sự kiện quan trọng của WSN thu thập được bởi các nút cảm biến cần phải được đáng tin cậy đưa đến sink để giám sát thành công môi trường. Do đó,
45
cho bản chất của liên kết không dây dễ bị lỗi, đảm bảo đáng tin cậy việc truyền dữ liệu từ các nút cảm biến nguồn lực vào sink là một trong những thách thức chính trong WSN. Chuyển dữ liệu đáng tin cậy là sự đảm bảo rằng thông tin sự kiện mang gói tin đến nơi đến. Trong WSN, độ tin cậy có thể được phân thành các cấp độ khác nhau
Mức độ tin cậy của gói hoặc sự kiện
Độ tin cậy bước nhảy tới bước nhảy hoặc đầu cuối tới đầu cuối
Độ tin cậy gói hoặc sự kiện liên quan đến lượng thông tin yêu cầu thông báo cho sink của sự xuất hiện của một cái gì đó xảy ra trong môi trường. Độ tin cậy của gói yêu cầu tất cả các gói mang dữ liệu cảm nhận từ tất cả các nút cảm biến được vận chuyển đến sink. Trong khi, độ tin cậy sự kiện đảm bảo rằng sink chỉ có đủ thông tin về một sự kiện nhất định xảy ra trong mạng thay vì gửi tất cả các cảm giác gói.
Ngoài độ tin cậy gói tin hoặc sự kiện; sự phục hồi thành công của một số thông tin về sự kiện có thể đạt được một cách tin cậy ở bước nhảy tới bước nhảy hoặc đầu cuối tới đầu cuối cấp độ. Trong bước nhảy tới bước nhảy, bước nhảy tiếp theo có trách nhiệm đảm bảo độ tin cậy truyền tải thông tin đến đích, tức là nút sink. Trong khi, trong độ tin cậy cuối cùng đến đầu cuối, chỉ có các điểm kết thúc (tức là chỉ các nút nguồn và điểm đến) có trách nhiệm đảm bảo việc truyền thành công thông tin.
Để đạt được độ tin cậy gói tin hoặc sự kiện về phục hồi thông tin bị mất ở cấp bước nhảy tới bước nhảy hoặc đầu cuối tới đầu cuối là thông qua việc truyền lại hoặc cơ chế dư thừa. Tái truyền chỉ đơn giản là truyền lại thông tin bị mất. Tái truyền có thể được thực hiện trên cơ sở bước nhảy tới bước nhảy hoặc đầu cuối tới đầu cuối. Việc truyền lại từ đầu đến cuối chỉ đòi hỏi nút nguồn tạo ra gói tin để truyền lại thông tin bị mất. Tái truyền bước nhảy tới bước nhảy cho phép các nút trung gian thực hiện tái truyền của thông tin bị mất bằng cách lưu trữ nó trong bộ đệm địa phương của chúng. Trong cơ chế dư thừa, thông tin dự phòng được thêm vào dữ liệu ban đầu cho phép người nhận phục hồi từ sự mất mát thông tin. Giống như tái truyền, độ tin cậy dựa trên dự phòng cũng có thể được thực hiện trên đầu
46
cuối tới đầu cuối hoặc bước nhảy tới bước nhảy cơ sở. Trong sự kết thúc từ đầu đến cuối, mã hóa / giải mã được thực hiện chỉ ở nguồn và nút sink. Trong khi ở bước nhảy tới bước nhảy dự phòng, mã hóa / giải mã được thực hiện tại mỗi bước nhảy trung gian để tái tạo các bit bị mất tại mỗi bước nhảy.
Một số giao thức đã được đề xuất để giải quyết vấn đề độ tin cậy trong các mạng cảm biến không dây, mỗi giao thức trong số chúng đề xuất các cách khác nhau đáng tin cậy vận chuyển các gói dữ liệu từ nút cảm biến đến sink. Do tính chất hội tụ của lưu lượng trong WSN, tất cả các nút cảm biến trong mạng có xu hướng tiêm dữ liệu của chúng bị bắt về phía sink. Với sự gia tăng lưu lượng truy cập mạng lưới bắt đầu bị tắc nghẽn, trong khi khu vực quanh sink sẽ trở nên bị tắc nghẽn vì tất cả lưu lượng đang chảy về phía sink. Điều này trở thành nguyên nhân gây mất gói tin, bởi vì không có đủ không gian đệm trong các nút cảm biến. Bên cạnh việc mất gói thông qua tắc nghẽn, các gói cũng bị mất do lỗi truyền dẫn, va chạm gói tin, nhiễu, lỗi nút (do cạn kiệt năng lượng) hoặc bất kỳ lý do không lường trước khác. Hơn
47
nữa, do phạm vi ngắn của các nút cảm biến, dữ liệu có thể phải di chuyển một số lượng lớn bước nhảy mà lần lượt giới thiệu rất nhiều điểm vào cho các lỗi cũng có thể trở thành nguyên nhân gây mất gói. Vì vậy, để đảm bảo độ tin cậy, các gói tin bị mất cần phải được phục hồi đòi hỏi phải truyền lại hoặc dự phòng cơ chế.
Một cách để đạt được độ tin cậy về phục hồi các gói bị mất là thông qua việc sử dụng tái truyền của các gói tin bị mất. Tái truyền có thể được thực hiện trên cơ sở kết thúc hoặc bước nhảy tới bước nhảy. Truyền lại từ đầu đến cuối đòi hỏi chỉ nút nguồn tạo ra gói tin để truyền lại gói bị mất. Trong khi, bước nhảy tới bước nhảy tái truyền cho phép các nút trung gian để thực hiện truyền lại các gói bị mất bằng cách lưu trữ các thông tin của các gói dữ liệu trong bộ đệm cục bộ của chúng. Trong một WSN đa bước, độ tin cậy dựa trên truyền lại có thể đạt được trên cơ sở cơ chế xác nhận, nơi mà nút gửi yêu cầu một sự thừa nhận của các gói dữ liệu từ các nút chuyển tiếp tiếp theo bước nhảy trong đường dẫn đến sink. Các các loại cơ chế xác nhận chính là nhận thức rõ ràng (eACK), sự thừa nhận tiêu cực (NACK) và sự thừa nhận tiềm ẩn (iACK). Cơ chế eACK là một cách truyền thống để đảm bảo sự tuyệt đối đảm bảo độ tin cậy cho từng gói tin truyền đi. eACK dựa vào một thông báo điều khiển đặc biệt mà nút tiếp nhận sau khi nhận thành công một gói tin, gửi lại cho người gửi như một biên nhận của gói tin được gửi đi. Giống như eACK, NACK cũng tương ứng với một thông báo điều khiển đặc biệt cho phép người nhận để thông báo cho người gửi để truyền lại một chuỗi các gói tin bị mất. Cơ chế eACK và NACK dẫn đến việc truyền dẫn trên cao lãng phí năng lượng có thể không khả thi đối với hầu hết các ứng dụng WSN. Mặt khác, trong cơ chế iACK thay thế người gửi sau truyền gói tin, lắng nghe kênh và giải thích chuyển tiếp của gói tin đã gửi của nó bởi nút bước nhảy tiếp theo là một biên nhận xác nhận. Bằng cách này, iACK khai thác tính chất phát sóng của kênh không dây tránh các phí tổn truyền tải bổ sung và lãng phí năng lượng gây ra bởi truyền các tin nhắn điều khiển (eACK / NACK).
48
Bất kỳ chương trình xác nhận nào yêu cầu nút lưu trữ các gói tin truyền dẫn của nó cho bất kỳ yêu cầu truyền lại nào có thể. Như vậy để ngăn chặn các gói tin cũ chiếm đóng vùng đệm cũng có thể trở thành nguyên nhân của sự chậm trễ, các gói cần được truyền lại ngay lập tức khi sự cố được phát hiện. Việc truyền lại ngay lập tức sẽ làm trầm trọng thêm tình trạng mạng, trong trường hợp mạng bị tắc nghẽn.
Điều này đòi hỏi cơ chế truyền lại thông minh sẽ được giới thiệu. Tuy nhiên, do bộ nhớ hạn chế nút cảm biến, số lượng lớn các gói tin có thể không được lưu trữ ở bộ cảm biến node về cung cấp độ tin cậy dựa trên truyền lại. Điều này cho phép ý tưởng cung cấp độ tin cậy vận chuyển dữ liệu dựa trên sự dư thừa thông tin, giải quyết các vấn đề gây ra bởi việc lưu trữ dữ liệu tại các nút.
49
Ngoài việc truyền lại, một cách khác để đạt được độ tin cậy vận chuyển dữ liệu là bằng cách giới thiệu sự thừa thông tin, nơi có nhiều bản sao của cùng một gói tin được truyền dựa trên các mã che dấu cho phép người nhận để phục hồi từ mất gói độc lập. Trong xóa mã hoá, người gửi chia gói ra thành m mảnh, được mã hóa thêm bằng cách thêm vào k mảnh dự phòng. Những mảnh m + k này được truyền đi về phía sink, nơi sink sau khi nhận được bộ mã hoá các mảnh vỡ, tái thiết các dữ liệu ban đầu ra khỏi nó. Người nhận có thể tái tạo lại bản gốc gói dữ liệu chỉ trên một điều kiện mà số lượng các mảnh mà nó đã nhận được bằng hoặc lớn hơn số lượng các mẩu nguyên bản, tức là m. Như tái truyền, mã hóa xóa cũng có thể được thực hiện trên cơ sở đầu cuối tới đầu cuối hoặc bước nhảy tới bước nhảy. Trong xoá bỏ đầu cuối tới đầu cuối mã hóa các mã hóa / giải mã dữ liệu là chỉ thực hiện trên các nguồn và các nút sink, trong khi đó các trung gian các nút chỉ chuyển tiếp các gói.
Tuy nhiên, trong bước nhảy tới bước nhảy xóa mã hóa, mã hóa / giải mã dữ liệu được thực hiện ở mỗi nút trung gian để giảm dữ liệu dự phòng. Do đó việc mã xóa hoàn toàn từ đầu đến cuối làm tăng lưu lượng mạng tổng thể bằng cách tạo ra số lượng lớn các mảnh dự phòng khi so sánh để bước nhảy tới bước nhảy xóa mã hóa.